CN102738341B - 一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构及其制备方法。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；所述的多量子阱层是交替生长的厚度为2-20nm的Al_xGa_1-x-yIn_yN阱和厚度为10-30nm的AluGa_1-u-vIn_vN垒，重复周期为2-20个。本发明利用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，通过改变Al和In的组分来调节极化电荷密度大小，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，提高器件内量子效率。

Description

一种采用AlGaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种采用A1GaInN四元材料作为量子阱和量子垒的LED结构及其制备方法，属于光电子技术领域。 

背景技术

III V族宽禁带直接带隙半导体具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高硬度、稳定的化学性质、较小介电常数和耐高温等一系列优点，因此其在高亮度蓝色发光二极管、蓝色半导体激光器以及抗辐射、高频、高温、高压等电子电力器件中有着广泛的实际应用和巨大的市场前景。GaN是半导体III族氮化物的基本材料，质地坚硬，且化学性质异常稳定，室温下不与酸、碱反应，不溶于水，具有较高的熔点1700℃。GaN具有优秀的电学性质，电子迁移率最高可达900cm²/(V·s)。n型掺杂的GaN材料很容易得到，但是p型掺杂GaN却不易得到，p型GaN曾经是GaN器件的制约瓶颈。在热退火技术提出之后，GaN较容易地实现了Mg杂质的掺杂，目前p型载流子浓度可以达到10¹⁷～10²⁰/cm3。近十几年来，采用缓冲层的外延技术和p型掺杂的提高，使得GaN基器件研究重新振兴，变为热点。 

GaN基多量子阱发光二极管(LED)已经进入市场并取得很大进展，但是芯片出光效率低下并且衰减的问题仍未得到很好解决。原因在于：在蓝宝石(α-Al₂O₃)或者碳化硅(SiC)衬底上沿着[0001]方向外延得到的GaN基材料存在自发极化和压电极化，致使量子阱和量子垒能带产生严重弯曲，极化电荷产生的极化场使电子和空穴的波函数在空间上不完全重合，从而降低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低下，同时也限制了发光效率。 

Min-Ho Kim等人使用四元化合物AlGaInN取代传统的GaN量子垒。因为AlGaInN由氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)和氮化铟(InN)所组成，通过改变Al或In组分能连续调节AlGaInN的总极化电荷，可以使阱、垒的极化电荷抵消，而提高器件的内量子效率和输出光功率，参阅Min-Ho Kim，Martin F.Schubert，Qi Dai et.al.，Appl.Phys.Lett.91，183507(2007)。 

在中国专利CN101355127B中，也采用了InGaN/AlGaInN量子阱/量子垒结构，其中In_xGa_1-xN组分x为0.1-0.4，Al_xGayIn_1-x-yN组分为0.1＜x＜0.4，0.1＜y＜0.4，采用以上的结构得到无极化效应的量子阱活性层，提高了器件的发光效率。 

上述文献和专利中采用AlGaInN作为量子垒，可以减弱器件内部极化，但是量子阱材料依然为三元系材料InGaN，当出射波长确定后，量子阱的In(或者Ga)组分也确定，进而量子阱的晶格常数和极化强度也被确定。相应地，欲使AlGaInN量子垒与量子阱达到极化匹配，其组分(Al、Ga、In)的可选范围变小，限制了材料的可选范围。 

本发明中，量子阱和量子垒都是采用四元系材料AlGaInN。对于量子阱，有更大范围(可以调节Al、Ga、In三种元素)来获得所需的出射波长，相比InGaN量子阱，AlGaInN阱在晶格常数和极化强度上有着更多的选择；对于量子垒，同样有更多的选择去和量子阱进行极化匹配，材料可选范围变大，实际可操作性变强，而且最终效果都能使阱垒间达到极化匹配， 提高量子效率和输出光功率。 

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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱和厚度为10-30nm的Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中和所述的Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱和厚度为10-30nm的Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中的x和y根据LED结构的出射波长λ确定；Al_uGa_1-u-vIn_vN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： 

$E\left({\mathrm{Al}}_x{\mathrm{Ga}}_z{\mathrm{In}}_{y}N\right)=\frac{x\·y\·T_{12}\left(\frac{1-x+y}{2}\right)+y\·z\·T_{23}\left(\frac{1-y+z}{2}\right)+x\·z\·T_{13}\left(\frac{1-x+z}{2}\right)}{x\·y+y\·z+z\·x},---\left(1\right)$

T_ij(u)＝u·E_g，j+(1-u)·E_g，i+bowing_ij·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Al_xGa_1-x-yIn_yN，其禁带宽度为E；然后计算量子阱Al_xGa_1-x-yIn_yN对应的极化强度，包含自发极化P_sp和压电极化P_pz： 

首先是极化自发极化P_sp，根据公式(3)和自发极化参数表2， 

P_sp(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝x·P_sp(AlN)+y·P_sp(InN)+(1-x-y)·P_sp(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) 

P_pz(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝x·P_pz(AlN)+y·P_pz(InN)+(1-x-y)·P_pz(GaN)    (4) 

式中 

P_pz(AlN)＝-1.808·ε-7.888·ε²    (4.1) 

P_pz(GaN)＝-0.918·ε+9.541·ε²    (4.2) 

P_pz(InN)＝-1.373·ε+7.559·ε²    (4.3) 

式中ε是失配度，ε＝(a_sub-a)/a；a_sub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(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝P_sp(Al_xGa_1-x-yIn_yN)+Ppz(Al_xGa_1-x-yIn_yN)；由于x与y都已知，所以计算出的P(Al_xGa_1-x-yIn_yN)是个数值； 

对于待求的量子垒Al_uGa_1-u-vIn_vN(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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＝P(Al_xGa_1-x-yIn_yN) 

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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)；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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＞E(Al_xGa_1-x-yIn_yN)    (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。 

附图说明

图1是在衬底层上沿着[0001]方向外延得到的GaN基材料存在自发极化和压电极化，致使量子阱和量子垒能带产生严重弯曲的示意图； 

图2是本发明所述LED结构的量子阱和量子垒能带未产生弯曲的示意图； 

图3是本发明所述LED结构的结构示意图； 

图4是理论模拟下，在不同注入电流下的光功率曲线图，在图4中的横坐标为注入电流密度，单位是A/cm^2，纵坐标为输出光功率，单位是mW； 

在图1-3中，1、衬底层；2、成核层；3、缓冲层；4、N型导电层；5、多量子阱层(MQW，Multiple QuantμmWell)；6、P型导电层；7、欧姆接触层；8、GaN垒；9、InGaN阱；10、Al_uGa_1-u-vIn_vN垒；11、Al_xGa_1-x-yIn_yN阱。 

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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱11和14nm厚的Al_uGa_1-u-vIn_vN垒10，5个重复周期。 

所述的Al_xGa_1-x-yIn_yN阱11中的x＝0.05，y＝0.173； 

所述的Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱和厚度为14nm的Al_uGa_1-u-vIn_vN垒，重复周期5个(6个垒夹杂5个阱)；Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中的x＝0.05，y＝0.173；Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yIn_yN的组分。 

然后计算这量子阱Al_xGa_1-x-yIn_yN对应的极化强度，包含自发极化P_sp和压电极化P_pz。 

极化自发极化P_sp，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P_sp＝-0.0318C/cm^2 

压电极化P_pz，根据上述公式(4)带入x＝0.05与y＝0.173，得到P_pz＝0.0277C/cm^2 

最后得到总的量子阱的极化总强度P(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝P_sp(Al_xGa_1-x-yIn_yN)+P_pz(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝-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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＝-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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)。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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＞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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中的x＝0.15，y＝0.275； 

所述的Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱和厚度为14nm的Al_uGa_1-u-vIn_vN垒，重复周期5个(6个垒夹杂5个阱)；Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中的x＝0.15，y＝0.275；Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yIn_yN的组分。 

然后计算这量子阱Al_xGa_1-x-yIn_yN对应的极化强度，包含自发极化P_sp和压电极化P_pz。 

极化自发极化P_sp，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P_sp＝-0.03402C/cm^2 

压电极化P_pz，根据上述公式(4)带入x＝0.15与y＝0.275，得到P_pz＝0.0355C/cm^2 

最后得到总的量子阱的极化总强度P(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝P_sp(Al_xGa_1-x-yIn_yN)+P_pz(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＝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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)。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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＞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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中的x＝0.1，y＝0.302； 

所述的Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yInyN阱和厚度为14nm的Al_uGa_1-u-vIn_vN垒，重复周期5个(6个垒夹杂5个阱)；Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中的x＝0.1，y＝0.302；Al_uGa_1-u-vIn_vN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Al_xGa_1-x-yIn_yN的组分。 

然后计算这量子阱Al_xGa_1-x-yIn_yN对应的极化强度，包含自发极化P_sp和压电极化P_pz。 

极化自发极化P_sp，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P_sp＝-0.03187C/cm^2 

压电极化P_pz，根据上述公式(4)带入x＝0.1与y＝0.302，得到P_pz＝0.04143C/cm^2 

最后得到总的量子阱的极化总强度P(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝P_sp(Al_xGa_1-x-yIn_yN)+P_pz(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＝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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)。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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＞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。 

Claims (3)

1.一种采用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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱和厚度为10-30nm的Al_uGa_1-u-vIn_vN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；所述的多量子阱层的总厚度为22nm-1030nm；所述的欧姆接触层为TiAlNiAu电极；根据LED结构所出射波长λ，所述的Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中和所述的Al_uGa_1-u-vIn_vN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

。

2.一种制备根据权利要求1所述的LED结构的方法，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)在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)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20nm-1030nm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Al_xGa_1-x-yIn_yN阱和厚度为10-30nm的Al_uGa_1-u-vIn_vN垒，重复周期为2-20个，其中，0<x<1，0<y<1；0<u<1，0<v<1；

4)在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。

3.根据权利要求2所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中Al_xGa_1-x-yIn_yN阱中的x和y根据LED结构的出射波长λ计算确定；Al_uGa_1-u-vIn_vN垒中的u和v由根据x和y的值来计算确定；计算方法及公式如下：

根据公式λ＝1.24/Eμm，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：

$E\left({\mathrm{Al}}_x{\mathrm{Ga}}_z{\mathrm{In}}_{y}N\right)=\frac{x\&CenterDot;y\&CenterDot;T_{12}\left(\frac{1-x+y}{2}\right)+y\&CenterDot;z\&CenterDot;T_{23}\left(\frac{1-y+z}{2}\right)+x\&CenterDot;z\&CenterDot;T_{13}\left(\frac{1-x+z}{2}\right)}{x\&CenterDot;y+y\&CenterDot;z+z\&CenterDot;x},---\left(1\right)$

T_ij(u)＝u·E_g,j+(1-u)·E_g,i+bowing_ij·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GaNE＝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Al_xGa_1-x-yIn_yN，其禁带宽度为E；然后计算量子阱Al_xGa_1-x-yIn_yN对应的极化强度，包含自发极化P_sp和压电极化P_pz：

首先是计算自发极化P_sp，根据公式(3)和自发极化参数表格2

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{sp}}\left({\mathrm{Al}}_x{\mathrm{Ga}}_{1-x-y}{\mathrm{In}}_{y}N\right)=x\&CenterDot;P_{\mathrm{sp}}\left(\mathrm{AlN}\right)+y\&CenterDot;P_{\mathrm{sp}}\left(\mathrm{InN}\right)+(1-x-y)\&CenterDot;P_{\mathrm{sp}}\left(\mathrm{GaN}\right)\\ -B\left(\mathrm{AlGaN}\right)\&CenterDot;x\&CenterDot;(1-x-y)-B\left(\mathrm{InGaN}\right)\&CenterDot;y\&CenterDot;(1-x-y)-B\left(\mathrm{AlInN}\right)\&CenterDot;x\&CenterDot;y\end{array}---\left(3\right)$

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P_pz，根据公式(4)

P_pz(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝x·P_pz(AlN)+y·P_pz(InN)+(1-x-y)·P_pz(GaN)    (4)

式中

P_pz(AlN)＝-1.808·ε-7.888·ε²    (4.1)

P_pz(GaN)＝-0.918·ε+9.541·ε²    (4.2)

P_pz(InN)＝-1.373·ε+7.559·ε²    (4.3)

式中ε是失配度，ε＝(a_sub-a)/a；a_sub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(Al_xGa_1-x-yIn_yN)＝P_sp(Al_xGa_1-x-yIn_yN)+P_pz(Al_xGa_1-x-yIn_yN)；由于x与y都已知，所以计算出的P(Al_xGa_1-x-yIn_yN)是个数值；

对于待求的量子垒Al_uGa_1-u-vIn_vN 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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)＝P(Al_xGa_1-x-yIn_yN)

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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)；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(Al_uGa_1-u-vIn_vN)>E(Al_xGa_1-x-yIn_yN)    (5)

最终得到u和v的关系。