CN101582478A - 用于光电器件的多量子阱结构及其制造方法 - Google Patents

用于光电器件的多量子阱结构及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于光电器件的多量子阱结构，其靠近N型半导体层的势阱层的厚度大于靠近P型半导体层的势阱层的厚度。本发明还公开了上述多量子阱结构的制备方法，包括采用MOCVD技术在所述光电器件的N型半导体层上依次交叠生长GaN势垒层和InxGa1－xN势阱层；靠近N型半导体层的InxGa1－xN势阱层生长时间为50～200s，靠近P型半导体层的InxGa1－xN势阱层生长时间为靠近N型半导体层的势阱层生长时间的0.5～1倍。本发明所述多量子阱结构可提升光电器件的内量子效率，同时提高反向电压和抗静电性能，降低发光谱峰的半宽提高发光纯度，如果把此结构用于探测器则可以降低暗电流提高探测器的灵敏度。

Description

用于光电器件的多量子阱结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及用于发光二极管、激光器、光探测器、太阳能电池等半导体光电器件的量子阱结构及制造方法，尤其是指用于半导体光电器件的多量子阱结构及制造方法。
背景技术
近年来，量子阱结构特别是多量子阱结构(MQW：Multi-Quantum-Well)的引入给半导体光电器件，诸如发光二极管、激光器、光探测器等的发展注入了新的活力。多量子阱结构中由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向的附加周期势分布中的势阱称为量子阱。势阱层的禁带宽度应小于势垒层的禁带宽度，薄层的厚度应与半导体中电子的德布罗意波长(约为10nm)或电子平均自由程(约为50nm)有相同量级。
量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，即表现出量子尺寸效应，这种效应大大地提高了器件性能。具有多量子阱结构的半导体光电器件具有寿命长、阈值电流小、效率高、光输出功率高等优点，再加上量子阱结构材料体积小易于集成，倍受研究人员重视，因而近年来，人们对量子阱材料的研究掀起了一股热潮。中国专利公告号CN1487604，公告日是2004年4月7日，名称为“GaN基多量子阱结构及采用该结构的发光二极管”中公开了一种GaN基多量子阱蓝光发光二极管，该二极管的多量子阱结构包括：p型掺杂的AlGaN层；n型掺杂的AlGaN层；及在AlGaN层之间的由p型掺杂的GaN层与不掺杂的InGaN层组成的N个量子阱；还包括在p型掺杂的AlGaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层及在n型掺杂的AlGaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层，通过调整GaN隔离层的厚度，可以调整p-n结的位置，使之位于多量子阱区域，能增强发光二极管的发光强度。然而该专利所述的多量子阱结构，结构繁多，工艺复杂，生产成本较高。
目前，国际上普遍应用的多量子阱结构一般为InGaN/GaN多量子阱结构，由GaN势垒和InGaN势阱多层交叠而成。GaN势垒常掺入如Si、Ge等杂质以提高GaN的晶体质量，同时促使量子阱中的In凝聚成In团，使发光效率增强。InGaN势阱组份中In的含量对量子阱的带隙有较大影响，进而影响光电器件的发光波长。另外，武汉大学的刘志国等人在武汉大学学报上2001年6月公开发表的《InGaN/GaN量子阱动力学特征分析》一文中表明：In的含量对基态激子能量影响很大，而量子阱的宽度对基态激子能量也有一定影响。
由于目前对称性的量子阱结构中用于亮度提升即发光的量子阱主要存在于靠近P端的量子阱，如果可以迫使P层的空穴在电场作用下向靠近N层的方向移动以增加实际发光的量子阱数量则有利于内量子效率的提升。本发明靠近N层的量子阱宽度大于靠近P层的量子阱宽度的设计即为了实现这一目的，由于靠近N层的量子阱较宽具有较强储蓄的电子能力，这样就可以迫使空穴向N层附近移动，增加了发光量子阱的数量进而提高了量子阱的发光效率效率提升了亮度，并且可以有效降低发光波段的半宽提高光的纯度。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种光电器件的GaN基多量子阱结构及其制造方法，该多量子阱结构可提升光电器件的内量子效率，将该多量子阱结构应用到发光二极管中，可有效地提高器件的发光效率提升亮度，并且降低发光波段的半宽提高光的纯度；如果应用于光探测器中，可提高器件的灵敏度降低暗电流。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
提供一种用于光电器件的多量子阱结构，包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势垒层和势阱层依次交叠而成，所述光电器件包括N型半导体层和P型半导体层，其特征在于：
靠近N型半导体层的势阱层的厚度大于靠近P型半导体层的势阱层的厚度。
其中，所述的n为大于2小于20的整数。
作为本发明的优选方案之一，所述用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的第m个势阱层到第n个势阱层的厚度逐次变薄，所述的m为大于0小于n的整数。
作为本发明的优选方案之一，所述用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的第m个势阱层到第n个势阱层中任意两个势阱层的厚度相同。
其中，所述势垒层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，优选为GaN。所述势阱层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，优选为InxGa1-xN，0＜x＜1。
作为本发明的优选方案之一，所述用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的前2～10个量子阱结构所对应的势垒层中含有Si或Ge掺杂元素。
作为本发明的优选方案之一，所述用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的势阱层中In的组分小于靠近P型半导体层的势阱层中In的组分。
本发明还提供一种制备所述用于光电器件的多量子阱结构的方法，包括以下步骤：
采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术，反应室压力设定为100～700torr，利用高纯NH3做N源，高纯N2或H2做载气，三甲基镓或三乙基镓做Ga源，三乙基铟做In源；在所述光电器件的N型半导体层上依次交叠生长GaN势垒层和InxGa1-xN势阱层；靠近N型半导体层的InxGa1-xN势阱层生长时间为50～200s，而靠近P型半导体层的InxGa1-xN势阱层生长时间为靠近N型半导体层的InxGa1-xN势阱层生长时间的0.5～1倍。
所述的制备用于光电器件的多量子阱结构的方法，其特征还在于：可以通过调节生长量子阱时三乙基铟的流量使靠近N型半导体层量子阱InxGa1-xN势阱层中In的组分小于靠近P型半导体层的InxGa1-xN势阱层中In的组分。其中靠近N层的量子阱生长时TMIn的流量为100～600sccm，靠近P层的量子阱生长时TMIn的流量为200～800sccm，相应的TMGa的流量为50sccm～500sccm，NH3的流量为5L～40L，同时通入流量为10L～40L的N2。
可对靠近N型半导体层的前2～10个量子阱结构所对应的GaN势垒层掺杂适量的Si以提高外延质量和降低电压。
本发明相较于现有技术，其有益效果在于：
1.提升内量子效率：由于靠近N层的量子阱较厚具有较强的储蓄电子能力，这样就可以迫使空穴向N层附近移动，增加了发光量子阱的数量进而提高了量子阱的发光效率效率提升了亮度。
2.提高反向电压，提升抗静电性能：由于靠近N层的量子阱比靠近P层的量子阱更厚，因此在施加反向电压时PN结变宽，可以有效地提升整体结构的抗静电性能。
3.降低发光谱峰的半宽，提高光的纯度：由于靠近N层的量子阱具有足够的储蓄电子能力，因此靠近P层的量子阱可以设计为厚度较薄的结构进而降低了半宽，提高了光的纯度。
4.另外，制备所述的多量子阱结构只需在常规工艺基础上控制材料的生长时间和流量便可轻易实现，其工艺简单，可控性强，易于实施。
附图说明
图1为采用本发明所述多量子阱结构的器件结构示意图。
图2为本发明实施例一中多量子阱结构的示意图。
图3为本发明实施例二中多量子阱结构的示意图。
图4为本发明实施例三中多量子阱结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤，为了示出的方便，附图并未按照比例绘制。
实施例一
参照图1，本实施例提供一种用于光电器件的多量子阱结构20，包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势垒层21和势阱层22依次交叠而成，即包括n个势垒层21和n个势阱层22，势阱层22的带隙小于势垒层21，其中n可为大于2小于20的任一整数，所述光电器件包括N型半导体层13和P型半导体层14。
势垒层21可为Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜1，0＜y＜＝1，0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳的为GaN。
势阱层22可为Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜＝1，0＜y＜1，0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳的为InxGa1-xN(0＜x＜1)。
其中，靠近N型半导体层13的势阱层21的厚度大于靠近P型半导体层14的势阱层22的厚度。
本发明所述多量子阱结构20在制造时可采用常规生产设备及工艺方法，包括各种物理和化学气相沉积法等，优选为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法。
为实现本发明的技术方案，本实施例中采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术制备如图1所示的器件结构，反应室压力设定为100-700torr，利用高纯NH3做N源，高纯N2或H2做载气，三甲基镓或三乙基镓做Ga源，三乙基铟做In源，步骤如下：
首先，在衬底材料10上依次生长GaN缓冲层11，GaN非掺杂层12和N型GaN层13，衬底材料10优选为蓝宝石；
然后，在N型GaN层13上生长InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN多量子阱结构20为有源层；
最后生长P型的AlGaN/GaN层14和AlInGaN接触层15。
其中，在生长InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN多量子阱结构20的步骤中，靠近N型GaN层13的前4个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间可为50-200s，优选为150s，而靠近P型半导体层的InxGa1-xN势阱层生长时间为靠近N型半导体层的InxGa1-xN势阱层14生长时间的0.5-1倍，这里优选为靠近P型的AlGaN/GaN层14的后7个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间依次为靠近N型GaN层13的InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间的0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6倍，即为135s、127.5s、120s、112.5s、105s、97.5s、90s。从而使靠近N型GaN层13的势阱层21的厚度大于靠近P型的AlGaN/GaN层的势阱层22的厚度，共生长了11个依次交叠的InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN量子阱结构，得到的量子阱结构的厚度如图2所示。
为了调节多量子阱结构20中各InGaN势阱层22的带隙能量，在生长InGaN势阱层22时可以通过调节生长量子阱时三乙基铟的流量使靠近N型GaN层13量子阱InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22中In的组分小于靠近P型的AlGaN/GaN层14量子阱中In的组分。在本实施例中生长靠近N型GaN层13的前4个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22时，三乙基铟的流量为400sccm，而在生长靠近P型的AlGaN/GaN层14的后7个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22时，三乙基铟的流量依次为445/450/455/460/475/480/485sccm，相应的三甲基镓(TMGa)流量维持不变为70sccm，NH3流量为18L，N2流量为14L。
生长GaN势垒层21时，控制三乙基镓的流量为450sccm，生长时间为300s，NH3流量为18L，N2流量为14L。
可对靠近N型GaN层13的前2-10个量子阱结构所对应的GaN势垒层21进行掺杂，本实施例对靠近N型GaN层13的前4个量子阱结构所对应的GaN势垒层21以SiH4为掺杂源进行掺杂，SiH4的流量为0.7sccm，可以有效的降低电压并提升亮度。
实施例二
参照图1，本实施例提供一种用于光电器件的多量子阱结构20，包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势垒层21和势阱层22依次交叠而成，即包括n个势垒层21和n个势阱层22，势阱层22的带隙小于势垒层21，其中n可为大于2小于20的任一整数，所述光电器件包括N型半导体层13和P型半导体层14。
势垒层21可为Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜1，0＜y＜＝1，0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳的为GaN。
势阱层22可为Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜＝1，0＜y＜1，0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳的为InxGa1-xN(0＜x＜1)。
其中，靠近N型半导体层13的势阱层21的厚度大于靠近P型半导体层14的势阱层22的厚度。
本发明所述多量子阱结构20在制造时可采用常规生产设备及工艺方法，包括物理或化学气相沉积法等，优选为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法。
为实现本发明的技术方案，本实施例中采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术制备如图1所示的器件结构，反应室压力设定为100-700torr，利用高纯NH3做N源，高纯N2或H2做载气，三甲基镓或三乙基镓做Ga源，三乙基铟做In源，步骤如下：
首先，在衬底材料10上依次生长GaN缓冲层11，GaN非掺杂层12和N型GaN层13，衬底材料10优选为蓝宝石；
然后，在N型GaN层13上生长InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN多量子阱结构20为有源层；
最后生长P型的AlGaN/GaN层14和AlInGaN接触层15。
其中，在生长InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN多量子阱结构20的步骤中，靠近N型GaN层13的第1个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间为150S，而靠近P型的AlGaN/GaN层14的后7个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间依次为靠近N型GaN层13的InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间的0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6倍，即为135s、127.5s、120s、112.5s、105s、97.5s、90s。从而使靠近N型GaN层13的势阱层21的厚度大于靠近P型的AlGaN/GaN层的势阱层22的厚度，共生长了8个依次交叠的InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN量子阱结构，得到的量子阱结构的厚度如图3所示。
为了调节多量子阱结构20中各InGaN势阱层22的带隙能量，在生长InGaN势阱层22时可以通过调节生长量子阱时三乙基铟的流量使靠近N型GaN层13量子阱InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22中In的组分小于靠近P型的AlGaN/GaN层14量子阱中In的组分。在本实施例中生长靠近N型GaN层13的第1个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22时，三乙基铟的流量为440sccm，而在生长靠近P型的AlGaN/GaN层14的后7个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22时，三乙基铟的流量为依次为445/450/455/460/475/480/485sccm，相应的TMGa流量维持不变为70sccm，NH3流量为18L，N2流量为14L。
生长GaN势垒层21时，控制三乙基镓的流量为450sccm，生长时间为300s，NH3流量为18L，N2流量为14L。
可对靠近N型GaN层13的前2-6个量子阱结构所对应的GaN势垒层21进行掺杂，本实施例对靠近N型GaN层13的前4个量子阱结构所对应的GaN势垒层21以SiH4为掺杂源进行掺杂，SiH4的流量为0.7sccm，可以有效的降低电压并提升亮度。
实施例三
参照图1，本实施例提供一种用于光电器件的多量子阱结构20，包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势垒层21和势阱层22依次交叠而成，即包括n个势垒层21和n个势阱层22，势阱层22的带隙小于势垒层21，其中n可为大于2小于20的任一整数，所述光电器件包括N型半导体层13和P型半导体层14。
势垒层21可为Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜1，0＜y＜＝1，0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳的为GaN。
势阱层22可为Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物，包括GaN、InxGa1-xN、AlyGa1-yN、InaGabAl1-a-bN，其中0＜x＜＝1，0＜y＜1，0＜a＜1，0＜b＜1，且a+b＜＝1，较佳的为InxGa1-xN(0＜x＜1)。
其中，靠近N型半导体层13的势阱层21的厚度大于靠近P型半导体层14的势阱层22的厚度。
本发明所述多量子阱结构20在制造时可采用常规生产设备及工艺方法，包括物理或化学气相沉积法等，优选为金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法。
为实现本发明的技术方案，本实施例中采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术制备如图1所示的器件结构，反应室压力设定为100-700torr，利用高纯NH3做N源，高纯N2或H2做载气，三甲基镓或三乙基镓做Ga源，三乙基铟做In源，步骤如下：
首先，在衬底材料10上依次生长GaN缓冲层11，GaN非掺杂层12和N型GaN层13，衬底材料10优选为蓝宝石；
然后，在N型GaN层13上生长InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN多量子阱结构20为有源层；
最后生长P型的AlGaN/GaN层14和AlInGaN接触层15。
其中，在生长InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN多量子阱结构20的步骤中，靠近N型GaN层13的前2个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间为145s紧接的2个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间为130s，而靠近P型的AlGaN/GaN层14的最后4个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22生长时间为90s，从而使靠近N型GaN层13的势阱层21的厚度大于靠近P型的AlGaN/GaN层的势阱层22的厚度，共生长了8个依次交叠的InxGa1-xN(0＜x＜1)/GaN量子阱结构，得到的量子阱结构的厚度如图4所示。
为了调节多量子阱结构20中各InGaN势阱层22的带隙能量，在生长InGaN势阱层22时可以通过调节生长量子阱时三乙基铟的流量使靠近N型GaN层13量子阱InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22中In的组分小于靠近P型的AlGaN/GaN层14量子阱中In的组分。在本实施例中生长靠近N型GaN层13的前4个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22时，三乙基铟的流量为440sccm，而在生长靠近P型的AlGaN/GaN层14的后4个InxGa1-xN(0＜x＜1)势阱层22时，三乙基铟的流量为485sccm，相应的TMGa流量维持不变为70sccm，NH3流量为18L，N2流量为14L。
生长GaN势垒层21时，控制三乙基镓的流量为450sccm，生长时间为300s，NH3流量为18L，N2流量为14L。
可对靠近N型GaN层13的前2-6个量子阱结构所对应的GaN势垒层21进行掺杂，本实施例对靠近N型GaN层13的前2个量子阱结构所对应的GaN势垒层21以SiH4为掺杂源进行掺杂，SiH4的流量为0.7sccm，可以有效的降低电压并提升亮度。
将上述制备的采用本发明多量子阱结构的器件结构应用到发光二极管中，发光光强为4.5mW，发光波长460nm，半宽为21nm。相较于普通多量子阱结构的发光二极管发光效率增强了10％以上。
本发明中涉及的其他工艺条件为常规工艺条件，属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。
上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (12)

1.一种用于光电器件的多量子阱结构，包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势垒层和势阱层依次交叠而成，所述光电器件包括N型半导体层和P型半导体层，其特征在于：
靠近N型半导体层的势阱层的厚度大于靠近P型半导体层的势阱层的厚度。
2.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：所述的n为大于2小于20的整数。
3.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的第m个势阱层到第n个势阱层的厚度逐次变薄，所述的m为大于0小于n的整数。
4.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的第m个势阱层到第n个势阱层中任意两个势阱层的厚度相同。
5.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：该势垒层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物。
6.根据权利要求1或5所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：该势阱层为GaN。
7.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：该势阱层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物。
8.根据权利要求1或7所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：该势阱层为InxGa1-xN，其中0＜x＜1。
9.根据权利要求1或5所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的前2～10个量子阱结构所对应的势垒层中含有Si或Ge掺杂元素。
10.根据权利要求1或7所述的用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的势阱层中In的组分小于靠近P型半导体层的势阱层中In的组分。
11.一种制备用于光电器件的多量子阱结构的方法，包括以下步骤：
采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术，反应室压力设定为100～700torr，利用高纯NH3做N源，高纯N2或H2做载气，三甲基镓或三乙基镓做Ga源，三乙基铟做In源；在所述光电器件的N型半导体层上依次交叠生长GaN势垒层和InxGa1-xN势阱层；靠近N型半导体层的InxGa1-xN势阱层生长时间为50～200S，而靠近P型半导体层的InxGa1-xN势阱层生长时间为靠近N型半导体层的InxGa1-xN势阱层生长时间的0.5～1倍。
12.根据权利要求9所述的制备用于光电器件的多量子阱结构的方法，其特征在于：通过调节生长量子阱时三乙基铟的流量使靠近N型半导体层的InxGa1-xN势阱层中In的组分小于靠近P型半导体层的InxGa1-xN势阱层中In的组分。
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