本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料，尤其是涉及一種AlInGaN基多量子阱發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

鋁銦鎵氮（AlInGaN）基發(fā)光二極管（LED）具有廣泛的用途，可應(yīng)用于儀器工作指示、交通信號燈、大屏幕顯示和通用照明等市場。然而，盡管已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，AlInGaN基LED仍存在許多問題，這阻礙了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。AlInGaN基LED結(jié)構(gòu)的多量子阱中的空穴濃度與電子濃度不匹配便是其中最主要的問題之一：1、由于Mg在GaN中的激活效率很低，難以獲得高空穴濃度的P型GaN，從而導(dǎo)致注入到量子阱中的空穴濃度低于電子，過剩的電子累積下來就會很容易溢出量子阱，造成效率損失；2、相比電子，空穴的遷移率小很多，因此空穴通常堆積在靠近P層的量子阱中，易使得俄歇復(fù)合成為主導(dǎo)復(fù)合機(jī)制。俄歇復(fù)合作為一種非輻射復(fù)合，其速率與載流子濃度的立方成正比；隨著載流子濃度的增大，俄歇復(fù)合會逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，造成LED效率下降。在大的電流密度下，量子阱中的電子濃度往往高于空穴濃度數(shù)倍，空穴與電子的不匹配程度更高，電子溢出更嚴(yán)重，而且靠近P層的量子阱中俄歇復(fù)合機(jī)制成為主導(dǎo)復(fù)合機(jī)制，從而使得LED的發(fā)光效率明顯下降。這種隨電流密度增大，LED的內(nèi)量子效率（IQE）急劇降低的現(xiàn)象被稱為IQE驟降效應(yīng)。

為提高空穴與電子的匹配度，可在材料生長中引入V坑。眾所周知，由于采用異質(zhì)外延，AlInGaN材料與襯底材料之間在晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)上存在較大差異，因此在生長多量子阱時會產(chǎn)生大量的位錯。位錯是非輻射復(fù)合中心，將成為載流子“殺手”，降低LED的發(fā)光效率。然而，通過控制阱前準(zhǔn)備層的生長工藝，位錯在穿透多量子阱的過程中，會誘導(dǎo)產(chǎn)生一種V型缺陷。這種V型缺陷實際上是圍繞在位錯四周的錐型坑，簡稱為V坑，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，呈倒六角金字塔狀。圖2為帶有V坑的LED外延結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。如圖2所示，Ｖ坑4在阱前準(zhǔn)備層5中形核于位錯11之上，并隨著阱前準(zhǔn)備層5生長厚度的增加而長大。隨后生長的多量子阱12會在Ｖ坑4側(cè)壁的半極性面上生長，形成Ｖ坑側(cè)壁量子阱7和V坑側(cè)壁量子壘8，Ｖ坑4也逐漸長大。最后通過在中空的V坑4中填入p型層10，從而獲得表面平整的LED外延結(jié)構(gòu)。有研究結(jié)果表明，V坑4可有效屏蔽位錯11，減少載流子在位錯11上的非輻射復(fù)合幾率；另外，V坑4也有增強空穴注入的作用。這種空穴注入的增強包括兩個方面：1）提高了空穴由P層注入到多量子阱的注入效率，即提高了空穴注入多量子阱的數(shù)目；2）改善了空穴在各量子阱中的濃度均勻性，即各量子阱中的空穴濃度差異減小。以上兩個方面均提高了空穴與電子的匹配度，減少了電子溢出和俄歇復(fù)合幾率。因此，通過控制V坑的生長，可顯著提高LED的發(fā)光效率。然而，在生長過程中產(chǎn)生的V坑是由位錯誘導(dǎo)產(chǎn)生的，所以每個V坑都圍繞著位錯而長大，其空間位置由位錯決定，基本是隨機(jī)分布的。這種隨機(jī)分布雖不影響V坑屏蔽位錯的功能，但卻無法使得V坑增強空穴注入的功能最優(yōu)化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種在消除位錯影響的情況下將V坑增強空穴注入的功能最優(yōu)化、以期進(jìn)一步改善空穴與電子的匹配度、提高LED的發(fā)光效率的AlInGaN基多量子阱發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種AlInGaN基多量子阱發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，包含：一個用于材料生長的襯底；層疊于該襯底上的AlInGaN基半導(dǎo)體疊層，該AlInGaN基半導(dǎo)體疊層至少包含一層N型層、一層P型層和夾于N型層、P型層之間的AlInGaN多量子阱，特征是：在多量子阱中鑲嵌有在生長平面中呈周期性排列的V坑。

所述V坑的形成起始位置為襯底或N型層。

所述N型層包括但不限于緩沖層、N型AlInGaN層、阱前準(zhǔn)備層中的一層或多層。

所述P型層包括但不限于電子阻擋層、空穴注入層、P型AlInGaN層中的一層或多層。

所述N型層生長平面或P型層的生長平面均為極性面，即（0001）晶面族。

所述V坑的側(cè)壁為半極性面，以（10-11）晶面族為最優(yōu)。

所述V坑的尺寸大小相同，在N型層生長平面或P型層生長平面的投影為周期性排列的正六邊形，每個正六邊形都僅與其它六個正六邊形相鄰；所有正六邊形的邊長均相等，且任意相鄰兩個正六邊形的中心距相等。

所述襯底包括但不限于：藍(lán)寶石、SiC、GaN或Si中的一種。

在多量子阱結(jié)構(gòu)生長結(jié)束之后，P型層生長開始之前時，所述V坑在（0001）晶面族生長平面的正六邊形投影的邊長a值范圍為0.01∽5微米，相鄰兩個正六邊形的中心距d值大于正六邊形邊長a值的2倍：d＞2a，且所有正六邊形面積之和與多量子阱在生長平面的面積之比η值范圍為12%∽75%。

優(yōu)選范圍：正六邊形邊長a值為0.02∽0.5微米，η值為25%∽55%值。

所述外延結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式采用n次外延（n=1，2，3，4）；在完成外延結(jié)構(gòu)生長的過程中，中途中斷生長，取出外延片進(jìn)行工藝處理后，再次放入外延爐繼續(xù)生長，即為二次生長；n次外延為這種中斷出現(xiàn)了（n-1）次。

所述V坑周期性排列的實現(xiàn)方式有兩種：1）直接在V坑起始層上，通過刻蝕或腐蝕的工藝方式形成周期性排列的V坑；2）通過工藝控制位錯分布，先使位錯實現(xiàn)周期性排列，然后在阱前準(zhǔn)備層中由位錯誘導(dǎo)產(chǎn)生V坑，則V坑將繼承位錯的周期性排列方式。這兩種方式實現(xiàn)的V坑統(tǒng)稱為“工藝V坑”。

因此，本發(fā)明的特點是：設(shè)計了“工藝V坑”，若干個“工藝V坑”尺寸大小一致、周期性排列且均勻分布，使得V坑增強空穴注入的功能最優(yōu)化，從而改善了空穴與電子的匹配度，提高LED的發(fā)光效率。為與“工藝V坑”區(qū)分，自然生長過程中產(chǎn)生的、由隨機(jī)分布的位錯誘導(dǎo)的V坑稱為“自然V坑”。

圖3為本發(fā)明所述外延結(jié)構(gòu)的示意圖。如圖所示，“工藝V坑”的產(chǎn)生不依賴于位錯。位錯仍舊是隨機(jī)分布的。雖然通過控制外延工藝，可抑制“自然V坑”的長大；但不可避免的，位錯仍可誘導(dǎo)產(chǎn)生尺寸較小的“自然V坑”。這種尺寸很小的“自然V坑”雖然增強空穴注入的功能很弱，但仍具有屏蔽位錯的作用。因此，對于“工藝V坑”來說，無需考慮屏蔽位錯的功能，僅需考慮增強空穴注入的功能。通過有意地控制“工藝V坑”在生長平面成周期性排列（如圖4所示，以AB排列為一個周期），可實現(xiàn)V坑增強空穴注入功能的最優(yōu)化。

因此，本發(fā)明具有在消除位錯影響的情況下將V坑增強空穴注入的功能最優(yōu)化、以期進(jìn)一步改善空穴與電子的匹配度、提高LED的發(fā)光效率的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為側(cè)面為{10-11}面的V坑結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是具有V坑的LED外延結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；圖中：1為襯底，2為緩沖層，3為N型AlInGaN層，4為V坑，5為阱前準(zhǔn)備層，6為平臺量子壘，7為V坑側(cè)壁量子阱，8為V坑側(cè)壁量子壘，9為平臺量子阱，10為P型AlInGaN層，11為位錯，12為多量子阱；

圖3為本發(fā)明所述外延結(jié)構(gòu)的示意圖；圖中：1為襯底，2為緩沖層，3為N型AlInGaN層，4為“工藝V坑”，5為阱前準(zhǔn)備層，6為平臺量子壘，7為V坑側(cè)壁量子阱，8為V坑側(cè)壁量子壘，9為平臺量子阱，10為P型AlInGaN層，11為位錯，12為多量子阱，13為“自然V坑”；

圖4為在生長平面（0001）面中成周期性排列的V坑示意圖；圖中：1為“工藝V坑”（在生長平面的投影為正六邊形），2為生長平面（0001）面，周期性排列方式為ABABAB……；

圖5為實施例1中外延結(jié)構(gòu)的示意圖；圖中：1為襯底，2為緩沖層，3為N型AlInGaN層，4為“工藝V坑”，5為阱前準(zhǔn)備層，6為平臺量子壘，7為V坑側(cè)壁量子阱，8為V坑側(cè)壁量子壘，9為平臺量子阱，10為P型AlInGaN層，11為位錯，12為多量子阱，13為“自然V坑” ；

圖6為實施例2中外延結(jié)構(gòu)的示意圖；圖中：1為襯底，2為緩沖層，3為N型AlInGaN層，4為“工藝V坑”，5為阱前準(zhǔn)備層，6為平臺量子壘，7為V坑側(cè)壁量子阱，8為V坑側(cè)壁量子壘，9為平臺量子阱，10為P型AlInGaN層，11為位錯，12為多量子阱，13為“自然V坑”；

圖7為實施例3中外延結(jié)構(gòu)的示意圖；圖中：1為襯底，2為緩沖層，3為N型AlInGaN層，4為“工藝V坑”，5為阱前準(zhǔn)備層，6為平臺量子壘，7為V坑側(cè)壁量子阱，8為V坑側(cè)壁量子壘，9為平臺量子阱，10為P型AlInGaN層，11為位錯，12為多量子阱，13為“自然V坑”；

圖8為實施例5中外延結(jié)構(gòu)的示意圖；圖中：1為襯底，2為緩沖層，3為N型AlInGaN層，4為“工藝V坑”，5為阱前準(zhǔn)備層，6為平臺量子壘，7為V坑側(cè)壁量子阱，8為V坑側(cè)壁量子壘，9為平臺量子阱，10為P型AlInGaN層，11為“工藝位錯”，12為多量子阱。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例并對照附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實施例1：

本實施例介紹了V坑起始位置為襯底的外延結(jié)構(gòu)。

參考圖5。圖中，1為襯底，在襯底1上周期性排布著“工藝V坑”4，“人工V坑”4在襯底1上表面的投影示意圖如圖4所示。在襯底1上生長緩沖層2，由于襯底1上“工藝V坑”4的存在，在“工藝V坑”4側(cè)壁也會生長半極性面緩沖層；而且，緩沖層2在半極性面上的生長速度小于在極性面的生長速度。因此，在緩沖層2中也會形成“工藝V坑”4，緩沖層2中 “工藝V坑”4的尺寸大于襯底1中“工藝V坑”4的尺寸，且繼承了襯底1中“工藝V坑”4的周期性排列方式。同樣，在緩沖層2上生長N型AlInGaN層3，也會在N型AlInGaN層3中形成周期性排列的“工藝V坑”，且尺寸繼續(xù)增大。隨后，在N型AlInGaN層3上生長阱前準(zhǔn)備層4，在阱前準(zhǔn)備層4中除了會繼承N型AlInGaN層3中的周期性排列的“工藝V坑”4，還會形成位錯11誘導(dǎo)的小型“自然V坑”13。然后，在阱前準(zhǔn)備層4中生長多量子阱12，在“工藝V坑”4和“自然V坑”13側(cè)壁均會形成V坑側(cè)壁量子阱7和V坑側(cè)壁量子壘8，在（0001）生長面形成平臺量子阱9和平臺量子壘6。最后，生長P型AlInGaN層10，將“工藝V坑”4和“自然V坑”13填滿，外延層變平。該外延結(jié)構(gòu)在襯底1上直接形成“工藝V坑”4，因此可采用一次外延方式完成整個外延結(jié)構(gòu)。

實施例2：

相比實施例1，襯底1改為無“工藝V坑”結(jié)構(gòu)，即“工藝V坑”4起始于緩沖層2中；外延結(jié)構(gòu)參考圖6。該外延結(jié)構(gòu)需生長完緩沖層2后再引入“工藝V坑”4，因此需采用二次外延方式來完成整個外延結(jié)構(gòu)。

實施例3：

相比實施例2，緩沖層2改為無“工藝V坑”結(jié)構(gòu)，即“工藝V坑”4起始于N型AlInGaN層3中；外延結(jié)構(gòu)參考圖7。該外延結(jié)構(gòu)需生長完N型AlInGaN層3后再引入“工藝V坑”4，因此需采用二次外延方式來完成整個外延結(jié)構(gòu)。

實施例4：

相比實施例3，N型AlInGaN層3改為無“工藝V坑”結(jié)構(gòu)，即“工藝V坑”4起始于阱前準(zhǔn)備層5中；外延結(jié)構(gòu)參考圖3。該外延結(jié)構(gòu)需生長完阱前準(zhǔn)備層后再引入“工藝V坑”4，因此需采用二次外延方式來完成整個外延結(jié)構(gòu)。

實施例5：

相比實施例4，通過工藝控制位錯形成位置，使得位錯的分布在生長平面成周期性分布；這種位錯稱為“工藝位錯”11。然后，在阱前準(zhǔn)備層5中由“工藝位錯”11誘導(dǎo)產(chǎn)生“工藝V坑”4，此時“工藝V坑”4繼承“工藝位錯”11的分布，在生長平面成周期性排列（如圖4所示）。由于位錯的出現(xiàn)被工藝控制，因此無自然生長過程中產(chǎn)生的、由隨機(jī)分布的位錯誘導(dǎo)的 “自然V坑”。外延結(jié)構(gòu)參考圖8。該種結(jié)構(gòu)的完成需要在生長過程中控制位錯的形成位置，需要多次中斷生長，對外延片進(jìn)行工藝處理。