CN102544278A - 一种多量子阱结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多量子阱结构及其制造方法,该多量子阱结构包括n个循环排列的模块结构，所述模块结构顺次包括一个第一势垒层、一个第一势阱层以及m个由第二势垒层和第二势阱层依次交叠而成的量子阱结构；所述第一势垒层的厚度是第二势垒层的1.5-2.5倍。本发明通过改进量子阱的结构设计，调配多量子阱内部结构，从而可以明显的增加光电器件的灵敏度，可以有效地调控工作电压和能量的利用效率。
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造方法，尤其是指一种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。目前，国际上普遍应用的多量子阱结构一般采用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。
然而，现有的技术采用由量子阱和垒层简单叠加循环而成的多量子阱结构，该结构相对简单，但是可以调整的工艺余度较小，使器件性能的提高受到了限制，不利于结构的扩展和升级。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种多量子阱结构及其制造方法，通过改进量子阱的结构设计，在不增加成本的基础上可以有效地提高器件的调控余度，为器件性能的提高提供了更大的工艺空间。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种多量子阱结构，包括n个循环排列的模块结构，所述模块结构顺次包括一个第一势垒层、一个第一势阱层以及m个由第二势垒层和第二势阱层依次交叠而成的量子阱结构；所述第一势垒层的厚度是第二势垒层的1.5-2.5倍。
作为本发明的优选方案，所述的n为大于1小于20的整数。
作为本发明的优选方案，所述的m为大于1小于10的整数。
作为本发明的优选方案，所述第一势阱层与第二势阱层的材料和厚度均相同。
作为本发明的优选方案，所述第一势阱层与第二势阱层的厚度均为2-5nm。
作为本发明的优选方案，所述第一势垒层的厚度为15-22.5nm；所述第二势垒层的厚度为7-15nm。
作为本发明的优选方案，所述第一势垒层和第二势垒层均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物。
作为本发明的优选方案，所述第一势阱层和第二势阱层均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物。
作为本发明的优选方案，所述第一势垒层和第二势垒层的能带均要大于所述第一势阱层和第二势阱层的能带。
作为本发明的优选方案，在所述n个循环排列的模块结构中，前w个模块结构内的第一势垒层中含有Si掺杂元素，其中w≤n。
作为本发明的优选方案，在所述n个循环排列的模块结构中，前y个模块结构内的第二势垒层中含有Si掺杂元素，其中y≤n。
此外，本发明还提供一种上述多量子阱结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、生长第一势垒层；
步骤二、在所述第一势垒层上生长第一势阱层；
步骤三、在所述第一势阱层上依次交叠生长第二势垒层和第二势阱层形成m个由第二势垒层和第二势阱层依次交叠而成的量子阱结构，从而完成模块结构；
重复步骤一到步骤三，形成n个循环排列的所述模块结构，从而完成该多量子阱结构的制备。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：通过此多量子阱内部结构的调配可以明显的增加光电器件的灵敏度，可以有效地调控工作电压和能量的利用效率。
附图说明
图1是实施例一的多量子阱结构的示意图；
图2是实施例二的多量子阱结构的示意图；
图3是实施例三的多量子阱结构的示意图；
图4是实施例四的多量子阱结构的示意图；
图5是实施例五的多量子阱结构的示意图；
图6是实施例六的多量子阱结构中模块结构的示意图。
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
本实施例提供一种多量子阱结构，包括2个循环排列的模块结构A1，所述模块结构A1顺次包括一个第一势垒层101、一个第一势阱层102以及2个由第二势垒层103和第二势阱层104依次交叠而成的量子阱结构B1；所述第一势垒层101的厚度是第二势垒层103的1.5-2.5倍。即第一势垒层101是较厚的势垒层，而第二势垒层103和第一势阱层102、第二势阱层104均为常规厚度的势垒层和势阱层，如图1所示。
其中，优选的，第一势阱层102与第二势阱层104材料、厚度均相同。第一势阱层102与第二势阱层104的厚度均为2nm。所述第一势垒层101的厚度为20nm；所述第二势垒层103的厚度为15nm。
所述第一势垒层101和第二势垒层103均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。所述第一势阱层102和第二势阱层104均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。并且所述第一势垒层101和第二势垒层103的能带均要大于所述第一势阱层102和第二势阱层104的能带。
在这2个循环排列的模块结构A1中，前1个模块结构A1内的第一势垒层101中含有Si掺杂元素；这2个模块结构A1内的第二势垒层103中均含有Si掺杂元素，以优化量子阱结构的性能。
实施例二
本实施例提供一种多量子阱结构，包括2个循环排列的模块结构A2，所述模块结构A2顺次包括一个第一势垒层201、一个第一势阱层202以及3个由第二势垒层203和第二势阱层204依次交叠而成的量子阱结构B2；所述第一势垒层201的厚度是第二势垒层203的1.5-2.5倍。即第一势垒层201是较厚的势垒层，而第二势垒层203和第一势阱层202、第二势阱层204均为常规厚度的势垒层和势阱层，如图2所示。
其中，优选的，第一势阱层202与第二势阱层204材料、厚度均相同。第一势阱层202与第二势阱层204的厚度均为3.5nm。所述第一势垒层201的厚度为22nm；所述第二势垒层203的厚度为多少14nm。
所述第一势垒层201和第二势垒层203均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。所述第一势阱层202和第二势阱层204均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。并且所述第一势垒层201和第二势垒层203的能带均要大于所述第一势阱层202和第二势阱层204的能带。
这2个模块结构A2内的第一势垒层201中均含有Si掺杂元素；这2个模块结构A1内的第二势垒层203中均含有Si掺杂元素，以优化量子阱结构的性能。
实施例三
本实施例提供一种多量子阱结构，包括5个循环排列的模块结构A3，所述模块结构A3顺次包括一个第一势垒层301、一个第一势阱层302以及5个由第二势垒层303和第二势阱层304依次交叠而成的量子阱结构B3；所述第一势垒层301的厚度是第二势垒层303的1.5-2.5倍。即第一势垒层301是较厚的势垒层，而第二势垒层303和第一势阱层302、第二势阱层304均为常规厚度的势垒层和势阱层，如图3所示。
其中，优选的，第一势阱层302与第二势阱层304材料、厚度均相同。第一势阱层302与第二势阱层304的厚度均为4.5nm。所述第一势垒层301的厚度为22.5nm；所述第二势垒层303的厚度为13nm。
所述第一势垒层301和第二势垒层303均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。所述第一势阱层302和第二势阱层304均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。并且所述第一势垒层301和第二势垒层303的能带均要大于所述第一势阱层302和第二势阱层304的能带。
在这5个循环排列的模块结构A3中，前2个模块结构A3内的第一势垒层301中含有Si掺杂元素；这5个模块结构A3内的第二势垒层303中均含有Si掺杂元素，以优化量子阱结构的性能。
实施例四
本实施例提供一种多量子阱结构，包括5个循环排列的模块结构A4，所述模块结构A4顺次包括一个第一势垒层401、一个第一势阱层402以及8个由第二势垒层403和第二势阱层404依次交叠而成的量子阱结构B4；所述第一势垒层401的厚度是第二势垒层403的1.5-2.5倍。即第一势垒层401是较厚的势垒层，而第二势垒层403和第一势阱层402、第二势阱层404均为常规厚度的势垒层和势阱层，如图4所示。
其中，优选的，第一势阱层402与第二势阱层404材料、厚度均相同。第一势阱层402与第二势阱层404的厚度均为3nm。所述第一势垒层401的厚度为12nm；所述第二势垒层403的厚度为10nm。
所述第一势垒层401和第二势垒层403均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。所述第一势阱层402和第二势阱层404均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。并且所述第一势垒层401和第二势垒层403的能带均要大于所述第一势阱层402和第二势阱层404的能带。
在这5个循环排列的模块结构A4内的第一势垒层401中含有Si掺杂元素；这5个模块结构A4内的第二势垒层403中均含有Si掺杂元素，以优化量子阱结构的性能。
实施例五
本实施例提供一种多量子阱结构，包括15个循环排列的模块结构A5，所述模块结构A5顺次包括一个第一势垒层501、一个第一势阱层502以及8个由第二势垒层503和第二势阱层504依次交叠而成的量子阱结构B5；所述第一势垒层501的厚度是第二势垒层503的1.5-2.5倍。即第一势垒层501是较厚的势垒层，而第二势垒层503和第一势阱层502、第二势阱层504均为常规厚度的势垒层和势阱层，如图5所示。
其中，优选的，第一势阱层502与第二势阱层504材料、厚度均相同。第一势阱层502与第二势阱层504的厚度均为5nm。所述第一势垒层501的厚度为22nm；所述第二势垒层503的厚度为9nm。
所述第一势垒层501和第二势垒层503均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。所述第一势阱层502和第二势阱层504均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。并且所述第一势垒层501和第二势垒层503的能带均要大于所述第一势阱层502和第二势阱层504的能带。
在这15个循环排列的模块结构A5中，前10个模块结构A5内的第一势垒层501中含有Si掺杂元素；这15个模块结构A5内的第二势垒层503中均含有Si掺杂元素，以优化量子阱结构的性能。
实施例六
本实施例提供一种多量子阱结构，包括19个循环排列的模块结构A6，所述模块结构A6顺次包括一个第一势垒层601、一个第一势阱层602以及9个由第二势垒层603和第二势阱层604依次交叠而成的量子阱结构B6；所述第一势垒层601的厚度是第二势垒层603的1.5-2.5倍。即第一势垒层601是较厚的势垒层，而第二势垒层603和第一势阱层602、第二势阱层604均为常规厚度的势垒层和势阱层，如图6所示。
其中，优选的，第一势阱层602与第二势阱层604材料、厚度均相同。第一势阱层602与第二势阱层604的厚度均为3nm。所述第一势垒层601的厚度为15nm；所述第二势垒层603的厚度为7nm。
所述第一势垒层601和第二势垒层603均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。所述第一势阱层602和第二势阱层604均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物，优选为InxGa1-xN(0＜x＜1)。并且所述第一势垒层601和第二势垒层603的能带均要大于所述第一势阱层602和第二势阱层604的能带。
在这19个循环排列的模块结构A6中，前15个模块结构A6内的第一势垒层601中含有Si掺杂元素；前15个模块结构A6内的第二势垒层603中均含有Si掺杂元素，以优化量子阱结构的性能。
制备上述多量子阱结构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，例如金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法，其中可以根据各势垒层和势阱层所选材料的不同来优化生长工艺。具体包括以下步骤：
步骤一、生长第一势垒层；
步骤二、在所述第一势垒层上生长第一势阱层；
步骤三、在所述第一势阱层上依次交叠生长第二势垒层和第二势阱层形成m个由第二势垒层和第二势阱层依次交叠而成的量子阱结构，从而完成模块结构；
重复步骤一到步骤三，形成n个循环排列的所述模块结构，从而完成该多量子阱结构的制备。
通过控制材料的生长时间和流量可轻易控制各材料层的厚度；还可以对材料层的进行选择性的掺杂Si，从而可以实现对这种多量子阱结构的内部调配，增加器件灵敏度和能量利用效率。
其中，为了增加器件的灵敏度，可以适当的降低第一势阱层与第二势阱层的厚度，同时增加第一势垒层中Si的掺杂量。
为了增加器件的能量利用效率，在优化第二势垒层和第二势阱层的基础上，增加整体m的数量同时适当增加第一势垒层中Si的掺杂量即可达到。
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。其中，本发明包括n个循环排列的模块结构，n为大于1小于20的任一整数，不仅限于实施例中的所罗列的数目；各个模块结构中包括m个由第二势垒层和第二势阱层依次交叠而成的量子阱结构，m为大于1小于10的任一整数，同样也不仅限于实施例中的所罗列的数目。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 (11)
1.一种多量子阱结构，其特征在于：包括n个循环排列的模块结构，所述模块结构顺次包括一个第一势垒层、一个第一势阱层以及m个由第二势垒层和第二势阱层依次交叠而成的量子阱结构；所述第一势垒层的厚度是第二势垒层的1.5-2.5倍。
2.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述的n为大于1小于20的整数。
3.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述的m为大于1小于10的整数。
4.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述第一势阱层与第二势阱层的材料和厚度均相同。
5.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述第一势阱层与第二势阱层的厚度均为2-5nm。
6.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述第一势垒层的厚度为15-22.5nm；所述第二势垒层的厚度为7-15nm。
7.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述第一势垒层和第二势垒层均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物。
8.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：所述第一势阱层和第二势阱层均为由Ga、In、Al、N元素中的一种或多种组成的化合物或混合物。
9.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：在所述n个循环排列的模块结构中，前w个模块结构内的第一势垒层中含有Si掺杂元素，其中w≤n。
10.根据权利要求1所述的一种多量子阱结构，其特征在于：在所述n个循环排列的模块结构中，前y个模块结构内的第二势垒层中含有Si掺杂元素，其中y≤n。
11.一种多量子阱结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、生长第一势垒层；
步骤二、在所述第一势垒层上生长第一势阱层；
步骤三、在所述第一势阱层上依次交叠生长第二势垒层和第二势阱层形成m个由第二势垒层和第二势阱层依次交叠而成的量子阱结构，从而完成模块结构；
重复步骤一到步骤三，形成n个循环排列的所述模块结构，从而完成该多量子阱结构的制备。
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