CN102103990A - 用于光电器件的多量子阱结构的制备方法 - Google Patents
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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的制备方法，所述多量子阱结构包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势阱层和势垒层依次生长而成，势阱层的生长包括以下步骤：步骤一，先生长InxGa1-xN势阱层，其中0.1＜x＜0.45；步骤二，生长GaN插入层；步骤三，再先生长InxGa1-xN势阱层，其中0.1＜x＜0.45。本发明通过在生长势阱层的时候，穿插生长1层或2层以上能带宽度不同于InxGa1-xN势阱层的GaN插入层以及In处理层。一方面，IN处理层可以稳定InxGa1-xN的结构，保证量子阱组分的稳定性，控制波长的稳定性和一致性。另一方面，GaN插入层扰动量子阱区的能带结构，提高了电子空穴对的复合几率，从而提高了器件发光的内量子效率；同时，亮度的提升也能够很好的改善器件的寿测性能。
Description
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备方法，尤其是指用于半导体光电器件的多量子阱结构的制备方法。
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多量子阱结构制备方法，由InxGa1-xN势阱和GaN势垒层多层交叠而成。循环生长4-20层，其中，0.1＜x＜0.45。在生长势阱层时，在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量480ml/min，TEGa流量60-80ml/min；时间75S-120S；在生长势垒层时，在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TEGa流量300-500ml/min；时间250-400S。
上述方法生成的半导体光电器件寿命和良率较低，亮度不够。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种用于光电器件的多量子阱制备方法，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。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于光电器件的多量子阱结构的制备方法，所述多量子阱结构包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势阱层和势垒层依次生长而成，其特征在于：势阱层的生长包括以下步骤：
步骤一，先生长InxGa1-xN势阱层，其中0.1＜x＜0.45；
步骤二，生长GaN插入层；
步骤三，再生长InxGa1-xN势阱层，其中0.1＜x＜0.45。
在所述步骤二之前还包括生长第一In处理层，其生长工艺条件为在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，时间5-45s。
在所述步骤三之后还包括生长第二In处理层，其生长工艺条件为在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，时间5-45s。
所述步骤一或步骤三的生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，TEGa流量60-80ml/min；时间为30-60s。
所述步骤二的生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TEGa流量60-80ml/min；时间5-30s。
所述势垒层的生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TEGa流量300-500ml/min；时间250-400s。
所述的n为大于4小于20的整数。
本发明通过在生长势阱层的时候，穿插生长1层或2层以上能带宽度不同于InxGa1-xN势阱层的GaN插入层以及In处理层。一方面，In处理层可以稳定InxGa-1-xN的结构，改善量子阱界面的粗糙度及组分和阱宽的不均匀性带来的器件光谱的展宽效应，从而保证了器件光谱的稳定性，同时波长的稳定性和一致性亦可得到有效地控制。另一方面，GaN插入层扰动量子阱区的能带结构，降低了由于量子限制斯塔克效应引起的能带倾斜，提高了量子阱中电子空穴波函数的重合程度，波函数重叠积分增大，提高了电子空穴对的复合几率，从而提高了器件发光的内量子效率；同时，亮度的提升也能够很好的改善器件的寿测性能。
附图说明
图1为本发明所述多量子阱结构的器件结构示意图。
图2为本发明插入层在量子阱内部的一种位置示意图。
图3为本发明插入层在量子阱内部的另一种位置示意图。
图4为本发明插入层在量子阱内部的再一种位置示意图。
图5为本发明插入层在量子阱内部的又一种位置示意图。
图6为本发明插入层在量子阱内部的最后一种位置示意图。
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。
一种用于光电器件的多量子阱结构，该光电器件包括缓冲层，非掺层，N层，多量子阱层和P层，所述的多量子阱层中的量子阱的结构包括依次交叠生长的势阱层和势垒层。本发明在生长势阱层的过程中穿插生长1层或2层以上能带宽度不同于其他势阱层的材料，形成插入层。
本发明中，所述的势垒层结构材料为AlxGa1-xInzN，其中0≤x＜0.3，0＜z＜0.45；所述的势阱层结构材料为AlyGa1-yInwN，其中0≤y＜0.3，0＜w＜0.45，其中z＜w；该插入层的结构材料为AlpGa1-pInqN，0≤p＜0.3，0＜q＜0.45；所述的插入层的能带宽度可以大于势阱层的能带宽度；也可以小于势阱层材料的能带宽度；所述的插入层的数量优选为1-4个。
请参见图2到图6所示，所述的插入层位置在量子阱内部可以为靠近N层一侧或者靠近P层一侧或者在量子阱的中间某一固定位置或者以上任意位置的组合。
具体的请参照图1，本实施例提供一种用于光电器件的多量子阱结构，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14和势阱层15依次交叠而成，即包括n个势垒层和n个势阱层，其中n可为大于4小于20的任一整数，所述光电器件包括N型半导体层和P型半导体层。
势垒层14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。
势阱层为InxGa1-xN，其中0.1＜x＜0.45。较佳的为0.2＜x＜0.3。
本发明所述多量子阱结构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100-500torr，优选的为300torr。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(0.1＜x＜0.45)/GaN多量子阱结构为有源层；
最后生长P型的AlGaN/GaN层16和AlInGaN接触层。
其中，势阱层15的的生长包括以下步骤：
步骤一，先生长InxGa1-xN势阱层，其中0.1＜x＜0.45；
步骤二，生长GaN插入层；
步骤三，再先生长InxGa1-xN势阱层，其中0.1＜x＜0.45。
在所述步骤二之前还可以包括生长第一In处理层，其生长工艺条件为在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，时间5-45s。
在所述步骤三之后可以包括生长第二In处理层，其生长工艺条件为在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，时间5-45s。
所述步骤一或步骤三的生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，TEGa流量60-80ml/min；时间为30-60s。
所述步骤二生长GaN插入层生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TEGa流量60-80ml/min；时间5-30s。
所述势垒层的生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TEGa流量300-500ml/min；时间250-400s。
采用上述方法制备的多量子阱结构制成的光电器件的寿测至少提高5％，108小时寿测稳定在95％以上。良率提高5％，漏电在0.02左右，ESD机械模式200V通过率为95％以上，ESD人体模式500V通过率为95％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 (7)
1.一种用于光电器件的多量子阱结构的制备方法，所述多量子阱结构包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势阱层和势垒层依次生长而成，其特征在于：势阱层的生长包括以下步骤：
步骤一，先生长InxGa1-xN势阱层，其中0.1＜x＜0.45；
步骤二，生长GaN插入层；
步骤三，再生长InxGa1-xN势阱层，其中0.1＜x＜0.45。
2.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤二之前还包括生长第一In处理层，其生长工艺条件为在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，时间5-45s。
3.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构的制备方法，其特征在于：在所述步骤三之后还包括生长第二In处理层，其生长工艺条件为在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，时间5-45s。
4.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构的制备方法，其特征在于：所述步骤一或步骤三的生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TMIn流量400-500ml/min，TEGa流量60-80ml/min；时间为30-60s。
5.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构的制备方法，其特征在于：所述步骤二的生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TEGa流量60-80ml/min；时间5-30s。
6.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构的制备方法，其特征在于：所述势垒层的生长工艺条件为：在300torr压力下，通入16-24L/min的NH3，TEGa流量300-500ml/min；时间250-400s。
7.根据权利要求1所述的用于光电器件的多量子阱结构的制备方法，其特征在于：所述的n为大于4小于20的整数。
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