发明内容
针对现有技术的不足,本发明要解决的技术问题是使量子阱产生的总极化电荷与量子垒的总极化电荷相匹配而消除内建电场,从而得到无极化效应的量子阱活性层,提高器件内量子效率,从而达到提高LED器件内效的目的。为此本发明提供一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构。本发明还提供一种所述LED结构的制备方法。
发明概述
本发明利用III族氮化物AlGaInN四元材料的带隙和晶格常数具有很大的可调范围的特性,将AlGaInN取代传统的InGaN量子阱和GaN量子垒,通过改变Al和In的组分来调节极化电荷密度大小,经过计算组分以获得极化强度完全匹配的量子阱/量子垒结构,使AlGaInN阱产生的总极化电荷与AlGaInN垒的总极化电荷相匹配而消除内建电场,得到无极化效应的量子阱活性层,提高器件内量子效率,从而达到提高LED器件内效的目的。
MOCVD:金属有机物化学气相沉淀。
发明详述
本发明的技术方案如下:
一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构,包括衬底层上依次是成核层、缓冲层、N型导电层、多量子阱层和P型导电层,在N型导电层上和P型导电层上分别是欧姆接触层;其特征在于,所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AlxGa1-x-yInyN阱和厚度为10-30nm的AluGa1-u-vInvN垒,重复周期为2-20个,其中,0<x<1,0<y<1;0<u<1,0<v<1。
所述的衬底层为蓝宝石衬底或碳化硅衬底之一。
所述的缓冲层是厚度为1μm-100μm的非掺杂GaN,所述的成核层是厚度为10nm-50nm的GaN。
所述的N型导电层是厚度为0.5μm-6μm的掺Si的N型GaN层,Si的掺杂浓度范围是:5×1017cm-3-5×1019cm-3;
所述的多量子阱层的总厚度为22nm-1030nm。
所述的P型导电层是厚度为120nm-300nm的掺Mg的P型GaN层,Mg掺杂浓度范围是:5×1019cm-3-5×1020cm-3。
所述的欧姆接触层为TiAlNiAu电极。
根据本发明,进一步优选的,根据LED结构所设定出射波长λ,所述的AlxGa1-x-yInyN阱中和所述的AluGa1-u-vInvN垒中的x、y、u、v的取值如下表1:
表1
λ |
x |
y |
u |
v |
460nm |
0.05 |
0.173 |
0.2 |
0.24 |
500nm |
0.15 |
0.275 |
0.2 |
0.292 |
550nm |
0.1 |
0.302 |
0.15 |
0.319 |
一种本发明所述LED结构的制备方法,采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底上依次生长成核层、缓冲层、N型导电层、多量子阱层和P型导电层,在N型导电层和P型导电层 上分别制作欧姆接触层,步骤如下:
1)在MOCVD反应腔室中将衬底层加热到500℃-1200℃,在氢气气氛下处理5分钟,然后温度降至500℃-600℃生长GaN成核层,厚度10nm-50nm;然后温度升到600℃-1300℃,氢气作为载气,生长1μm-100μm厚的非掺杂GaN缓冲层;
2)MOCVD反应腔室中,将温度调节至600℃-1300℃,氢气作为载气的条件下,生长厚度为0.5μm-6μm的掺Si的N型GaN层,Si的掺杂浓度范围:5×1017cm-3-5×1019cm-3;
3)MOCVD反应腔室中,将温度调节至600℃-1000℃,通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl,生长厚度为30nm-450nm的多量子阱层,所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的AlxGa1-x-yInyN阱和厚度为10-30nm的AluGa1-u-vInvN垒,重复周期2-20个;
4)MOCVD反应腔室中,将温度调节至800℃-1200℃,生长120nm-300nm厚的掺Mg的P型GaN层,Mg掺杂浓度范围为5×1019cm-3-5×1020cm-3;
5)最后在N型GaN层和P型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极,制作成欧姆接触层。
所述的步骤3)中AlxGa1-x-yInyN阱中的x和y根据LED结构的出射波长λ确定;AluGa1-u-vInvN垒中的u和v由根据x和y的值来确定;本发明对有关计算方法及公式简要说明如下:
根据公式λ=1.24/E μm,计算出所需出射波长λ对应的光子能量E;
然后通过下列AlGaInN四元系材料能带公式计算出x与y的关系:
Tij(u)=u·Eg,j+(1-u)·Eg,i+bowingij·u·(1-u) (2)
其中,上述公式内下标1、2、3分别表示化合物AlN(E=6.20eV)、InN(E=3.51eV)和GaN(E=0.78eV),而且z=1-x-y;InGaN、AlGaN和AlInN的弯曲bowing系数分别设为2.8eV、0.7eV和2.4eV;
从以上得到的x、y关系中,选取合适的一组作为量子阱AlxGa1-x-yInyN,其禁带宽度为E;然后计算量子阱AlxGa1-x-yInyN对应的极化强度,包含自发极化Psp和压电极化Ppz:
首先是极化自发极化Psp,根据公式(3)和自发极化参数表2,
Psp(AlxGa1-x-yInyN)=x·Psp(AlN)+y·Psp(InN)+(1-x-y)·Psp(GaN)
(3)
-B(AlGaN)·x·(1-x-y)-B(InGaN)·y·(1-x-y)-B(AlInN)·x·y
表2各个材料自发极化参数
材料 |
InN |
GaN |
AlN |
自发计划强度Psp C/cm^2 |
-0.042 |
-0.034 |
-0.09 |
材料 |
InGaN |
AlGaN |
AlInN |
弯曲系数B C/cm^2 |
-0.037 |
-0.021 |
-0.07 |
其次是计算压电极化Ppz,根据公式(4)
Ppz(AlxGa1-x-yInyN)=x·Ppz(AlN)+y·Ppz(InN)+(1-x-y)·Ppz(GaN) (4)
式中
Ppz(AlN)=-1.808·ε-7.888·ε2 (4.1)
Ppz(GaN)=-0.918·ε+9.541·ε2 (4.2)
Ppz(InN)=-1.373·ε+7.559·ε2 (4.3)
式中ε是失配度,ε=(asub-a)/a;asub和a分别是衬底与外延层晶格常数;
最后得到量子阱总极化总强度P(AlxGa1-x-yInyN)=Psp(AlxGa1-x-yInyN)+Ppz(AlxGa1-x-yInyN);由于x与y都已知,所以计算出的P(AlxGa1-x-yInyN)是个数值;
对于待求的量子垒AluGa1-u-vInvN(0<u<1,0<v<1),根据(3)和(4)式可以写出量子垒的总极化强度P(AluGa1-u-vInvN)表达式,其中含有u和v;
最后令量子垒的总极化强度和量子阱的总极化强度相等,得到方程:
P(AluGa1-u-vInvN)=P(AlxGa1-x-yInyN)
通过数值求解便能得到量子垒组分u和v的关系式;进一步,将u和v带入能带公式(1)和(2),得到含有u和v的E(AluGa1-u-vInvN);量子垒禁带宽度必须要大于量子阱禁带宽度,通过数值求解解不等式(5):
E(AluGa1-u-vInvN)>E(AlxGa1-x-yInyN) (5)
最终得到u和v的关系。
本发明的优良效果是:
1、本发明利用III族氮化物AlGaInN四元材料的带隙和晶格常数具有很大的可调范围的特性,采用AlGaInN作为量子阱和量子垒,而且通过改变Al和In组分来调整极化电荷,使量子阱和量子垒界面处的总极化电荷数值相等且符号相反从而使极化电荷相互抵消,达到消除内建极化电场的目的,使得量子阱的能带趋于平坦,提高器件的内量子效率并解决效率衰减问题,最终提高器件的性能。
2、扩大半导体器件的能隙宽度与总极化强度数值的可选范围,使半导体材料极化匹配。
3、消除半导体材料内部的自发极化和压电极化,使电子和空穴的波函数在空间上完全重合,提高了量子阱内的载流子自发辐射速率,使得器件的内量子效率提高。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细地说明,但不限于此。
实施例1、
以下所述的LED结构所出射波长460nm(对应的光子能量为2.69eV)。
如图3所示,一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构,包括衬底层1、成核层2、缓冲层3、N型导电层4、多量子阱层5(MQW,Multiple Quantμm Well)和P型导电层6,在N型导电层4上和P型导电层6上分别是欧姆接触层7,所述的多量子阱层5是交替生长的厚度为3nm的AlxGa1-x-yInyN阱11和14nm厚的AluGa1-u-vInvN垒10,5个重复周期。
所述的AlxGa1-x-yInyN阱11中的x=0.05,y=0.173;
所述的AluGa1-u-vInvN垒10中的u=0.2,v=0.24。
所述的衬底层1为蓝宝石衬底。
所述的缓冲层是厚度为4μm的非掺杂GaN,所述的成核层是厚度为30nm的GaN。
所述的N型导电层4是厚度为3μm的掺Si的N型GaN层,Si的掺杂浓度范围为:5×1017cm-3-5×1019cm-3;
所述的多量子阱层5的总厚度为99nm(6个垒夹杂5个阱)。
所述的P型导电层6是厚度为150nm的掺Mg的P型GaN层,Mg掺杂浓度范围为:5×1019cm-3-5×1020cm-3。
所述的欧姆接触层7为TiAlNiAu电极。
实施例2、
一种实施例1所述的LED结构的制备方法,采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底层1上依次生长成核层2、缓冲层3、N型导电层4、多量子阱层5和P型导电层6,在N型导电层4和P型导电层6上分别制作欧姆接触层7,具体步骤如下:
1)成核层和缓冲层:在MOCVD反应腔室中将衬底加热到500℃-1200℃,在氢气气氛下处理5分钟,然后温度降至500℃-600℃生长厚度为30nm的GaN成核层;然后温度升到600℃-1300℃,氢气作为载气,生长厚度为4μm的非掺杂GaN缓冲层;
2)在MOCVD反应腔室中,将温度调节至600℃-1300℃,生长3μm厚的掺Si的N型GaN层,Si的掺杂浓度范围为:5×1017cm-3-5×1019cm-3;
3)在MOCVD反应腔室中,将温度调节至600℃-1000℃,通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl,生长厚度为99nm的多量子阱层,所述的多量子阱层是交替生长的厚度为3nm的AlxGa1-x-yInyN阱和厚度为14nm的AluGa1-u-vInvN垒,重复周期5个(6个垒夹杂5个阱);AlxGa1-x-yInyN阱中的x=0.05,y=0.173;AluGa1-u-vInvN垒中的u=0.2,v=0.24;
4)在MOCVD反应腔室中,将温度提高至800℃-1200℃,生长150nm厚的掺Mg的P型GaN层,Mg掺杂浓度范围为5×1019cm-3-5×1020cm-3;
5)最后在N型GaN层和P型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极,制成欧姆接触层。
步骤(3)中所述x、y、u和v值的确定,计算举例如下:
LED结构所出射波长460nm(对应的光子能量为2.69eV)。
根据公式λ=1.24/E μm,计算出所需出射波长对应的光子能量E=2.69eV(λ是波长,E 是光子能量)。
然后通过上述能带公式(1)、公式(2)计算出x与y的关系为y=-0.5348x2+0.674x+0.1383,选取x=0.05与y=0.173作为量子阱AlxGa1-x-yInyN的组分。
然后计算这量子阱AlxGa1-x-yInyN对应的极化强度,包含自发极化Psp和压电极化Ppz。
极化自发极化Psp,根据上述公式(3)和自发极化参数表2。带入x=0.05与y=0.173,得到Psp=-0.0318C/cm^2
压电极化Ppz,根据上述公式(4)带入x=0.05与y=0.173,得到Ppz=0.0277C/cm^2
最后得到总的量子阱的极化总强度P(AlxGa1-x-yInyN)=Psp(AlxGa1-x-yInyN)+Ppz(AlxGa1-x-yInyN)=-0.0041C/cm^2。最后令量子垒的总极化强度(含u和v的表达式)和量子阱的总极化强度(数值)相等:
P(AluGa1-u-vInvN)=-0.0041C/cm^2,通过数值求解便能得到量子垒组分u和v的关系式:
v=-0.5693u2+0.7223u+0.1137
进一步,将u和v带入能带公式(1)、、公式(2),得到含有u和v的量子垒的禁带宽度E(AluGa1-u-vInvN)。量子垒禁带宽度需要大于量子阱禁带宽度,通过数值求解解不等式(5)’:
E(AluGa1-u-vInvN)>2.69(5)’
最终得到0.2≤u≤0.6和0.24≤v≤0.34时满足条件,选取其中的u=0.2,v=0.24。
实施例3、
如实施例1所述的LED结构,所不同的是:所述的衬底层为碳化硅衬底。
实施例4、
如实施例1所述的LED结构,所不同的是:
所述的LED结构所出射波长500nm(对应的光子能量为2.47eV)。
所述的AlxGa1-x-yInyN阱中的x=0.15,y=0.275;
所述的AluGa1-u-vInvN垒中的u=0.2,v=0.292。
一种实施例1所述的LED结构的制备方法,采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底层1上依次生长成核层2、缓冲层3、N型导电层4、多量子阱层5和P型导电层6,在N型导电层4和P型导电层6上分别制作欧姆接触层7,具体步骤如下:
1)成核层和缓冲层:在MOCVD反应腔室中将衬底加热到500℃-1200℃,在氢气下处理5分钟,然后温度降至500℃-600℃生长厚度为30nm的GaN成核层;然后温度升到600℃-1300℃,氢气作为载气,生长厚度为4μm的非掺杂GaN缓冲层;
2)在MOCVD反应腔室中,将温度调节至600℃-1300℃,生长3μm厚的掺Si的N型GaN层,Si的掺杂浓度范围为:5×1017cm-3-5×1019cm-3;
3)在MOCVD反应腔室中,将温度调节至600℃-1000℃,通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl,生长厚度为99nm的多量子阱层,所述的多量子阱层是交替生长的厚度为3nm的AlxGa1-x-yInyN阱和厚度为14nm的AluGa1-u-vInvN垒,重复周期5个(6个垒夹杂5个阱);AlxGa1-x-yInyN阱中的x=0.15,y=0.275;AluGa1-u-vInvN垒中的u=0.2,v=0.292;
4)在MOCVD反应腔室中,将温度提高至800℃-1200℃,生长150nm厚的掺Mg的P型GaN层,Mg掺杂浓度范围为5×1019cm-3-5×1020cm-3;
5)最后在N型GaN层和P型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极,制成欧姆接触层。
步骤(3)中所述x、y、u和v值的确定,计算举例如下:
LED结构所出射波长500nm(对应的光子能量为2.48eV)。
根据公式λ=1.24/E μm,计算出所需出射波长对应的光子能量E=2.48eV(λ是波长,E是光子能量)。
然后通过上述能带公式(1)、公式(2)计算出x与y的关系为y=-0.6646x2+0.7311x+0.18,选取x=0.15与y=0.275作为量子阱AlxGa1-x-yInyN的组分。
然后计算这量子阱AlxGa1-x-yInyN对应的极化强度,包含自发极化Psp和压电极化Ppz。
极化自发极化Psp,根据上述公式(3)和自发极化参数表2。带入x=0.15与y=0.275,得到Psp=-0.03402C/cm^2
压电极化Ppz,根据上述公式(4)带入x=0.15与y=0.275,得到Ppz=0.0355C/cm^2
最后得到总的量子阱的极化总强度P(AlxGa1-x-yInyN)=Psp(AlxGa1-x-yInyN)+Ppz(AlxGa1-x-yInyN)=0.00148C/cm^2。最后令量子垒的总极化强度(含u和v的表达式)和量子阱的总极化强度(数值)相等:
P(AluGa1-u-vInvN)=0.00148C/cm^2,通过数值求解便能得到量子垒组分u和v的关系式:
v=0.1009u2+0.3104u+0.2261
进一步,将u和v带入能带公式(1)、、公式(2),得到含有u和v的量子垒的禁带宽度E(AluGa1-u-vInvN)。量子垒禁带宽度需要大于量子阱禁带宽度,通过数值求解解不等式(5)”:
E(AluGa1-u-vInvN)>2.48 (5)”
最终得到0.2≤u≤0.6和0.292≤v≤0.366时满足条件,选取其中的u=0.2,v=0.292。
实施例5、
如实施例1所述的LED结构,所不同的是:
所述的LED结构所出射波长550nm(对应的光子能量为2.52eV)。
所述的AlxGa1-x-yInyN阱中的x=0.1,y=0.302;
所述的AluGa1-u-vInvN垒中的u=0.15,v=0.319。
一种实施例1所述的LED结构的制备方法,采用金属有机物化学气相沉淀方法在衬底层1上依次生长成核层2、缓冲层3、N型导电层4、多量子阱层5和P型导电层6,在N型导电层4和P型导电层6上分别制作欧姆接触层7,具体步骤如下:
1)成核层和缓冲层:在MOCVD反应腔室中将衬底加热到500℃-1200℃,在氢气气氛下处理5分钟,然后温度降至500℃-600℃生长厚度为30nm的GaN成核层;然后温度升到600℃-1300℃,氢气作为载气,生长厚度为4μm的非掺杂GaN缓冲层;
2)在MOCVD反应腔室中,将温度调节至600℃-1300℃,生长3μm厚的掺Si的N型GaN层,Si的掺杂浓度范围为:5×1017cm-3-5×1019cm-3;
3)在MOCVD反应腔室中,将温度调节至600℃-1000℃,通入金属有机源TMGa、TMIn和TMAl,生长厚度为99nm的多量子阱层,所述的多量子阱层是交替生长的厚度为3nm的AlxGa1-x-yInyN阱和厚度为14nm的AluGa1-u-vInvN垒,重复周期5个(6个垒夹杂5个阱);AlxGa1-x-yInyN阱中的x=0.1,y=0.302;AluGa1-u-vInvN垒中的u=0.15,v=0.319;
4)在MOCVD反应腔室中,将温度提高至800℃-1200℃,生长150nm厚的掺Mg的P型 GaN层,Mg掺杂浓度范围为5×1019cm-3-5×1020cm-3;
5)最后在N型GaN层和P型GaN层上分别制作TiAlNiAu电极,制成欧姆接触层。
步骤(3)中所述x、y、u和v值的确定,计算举例如下:
LED结构所出射波长550nm(对应的光子能量为2.25eV)。
根据公式λ=1.24/E μm,计算出所需出射波长对应的光子能量E=2.25eV(λ是波长,E是光子能量)。
然后通过上述能带公式(1)、公式(2)计算出x与y的关系为y=-0.7549x2+0.7393x+0.2359,选取x=0.1与y=0.302作为量子阱AlxGa1-x-yInyN的组分。
然后计算这量子阱AlxGa1-x-yInyN对应的极化强度,包含自发极化Psp和压电极化Ppz。
极化自发极化Psp,根据上述公式(3)和自发极化参数表2。带入x=0.1与y=0.302,得到Psp=-0.03187C/cm^2
压电极化Ppz,根据上述公式(4)带入x=0.1与y=0.302,得到Ppz=0.04143C/cm^2
最后得到总的量子阱的极化总强度P(AlxGa1-x-yInyN)=Psp(AlxGa1-x-yInyN)+Ppz(AlxGa1-x-yInyN)=0.00956C/cm^2。最后令量子垒的总极化强度(含u和v的表达式)和量子阱的总极化强度(数值)相等:
P(AluGa1-u-vInvN)=0.00956C/cm^2,通过数值求解便能得到量子垒组分u和v的关系式:
v=0.1124u2+0.3057u+0.2707
进一步,将u和v带入能带公式(1)、、公式(2),得到含有u和v的量子垒的禁带宽度E(AluGa1-u-vInvN)。量子垒禁带宽度需要大于量子阱禁带宽度,通过数值求解解不等式(5)’”:
E(AluGa1-u-vInvN)>2.25 (5)’”
最终得到0.15≤u≤0.4和0319≤v≤0.411时满足条件,选取其中的u=0.15,v=0.319。