CN103325903A - 可调控能带的uv led多量子阱结构装置及生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调控能带的UV LED多量子阱结构装置及生长方法，其能够提高紫外发光二极管有源区多量子阱中辐射复合效率。所述可调控能带的UV LED多量子阱结构装置，其包括至少一个能带被调控的量子阱结构，该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。该可调控能带的UV-LED量子阱结构能够实现对量子阱区域的能带调控，提高量子阱有源区中的电子空穴波函数叠加，提高UV-LED量子阱区域的辐射复合效率，进而提高UV-LED的功率和效率。

Description

可调控能带的UV LED多量子阱结构装置及生长方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种可调控能带的UV LED的量子阱结构及其生长方法。该发明可以有效的提高紫外及深紫外发光二极管的内量子效率，进而提高LED的辐射效率和功率，可用于紫外及深紫外LED中。 
背景技术
近些年来氮化镓基LED的迅猛发展，其中短波段的AlGaN基UV LED的应用却受到其效率低下的限制。其原因来自多方面，包括高Al组AlGaN材料的外延难度高；掺杂难度高，尤其涉及p型掺杂；难以找到功函数匹配的金属形成良好的欧姆接触等。而其中还有一个重要的原因，是AlGaN中金属元素Al、Ga与非金属元素N的电负性差异较大，形成的极性化合物，材料中存在非常大的自发极化电场，同时由于UV LED的有源区量子阱结构中，量子阱量子垒之间的组分差异以及异质外延引起的材料应力，使得外延量子阱中同时还存在着不小的压电极化电场。这些电场导致的一个直接的结果便是引起在极性面和半极性面上外延制作的UV LED的量子阱中电子空穴波函数分离，降低电子空穴波函数的重叠积分，进而降低了量子阱中的辐射复合几率，从而使得LED效率降低。此外，极化电场带来的能带弯曲使得量子垒形成三角势垒，会阻止电流扩散，因此需要增大电压来使电子通过势垒。当电流超过一定值时，工作电压大于内建电场，n型区导带高于p型区导带，导致大量电子泄漏。在InGaN基蓝光/绿光LED为减小极化电场的影响，引入了三角形量子阱结构。而对于三角形量子阱的方法，由于量子阱层厚度一般只有几个纳米，生长时间很短，在如此短的时间内要想完美的实现组分如此巨大的渐变对于MOCVD外延生长也是一个高难度的挑战。 
发明内容
本发明所要解决的问题是AlGaN基发光二极管有源区多量子阱中出辐射复合效率低的问题。本发明立足于AlGaN基量子阱中极化电场与组分的关系，通过设计组分实现强度渐变的极化电场，再通过极化电场以及组分对能带的作用调控量子阱中能带，使得量子阱在很小的组分渐变下即实现削弱能带弯曲的现象，最终实现提高LED内量子效率的目的。 
为此，本发明提出了一种可调控能带的UV LED多量子阱结构装置，其包括至少一个能带被调控的量子阱结构，该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。 
本发明还提出了一种可调控能带的UV LED量子阱结构装置的外延生长方法，包括： 
步骤1、在蓝宝石衬底上依次生长低温AlN成核层、高温AlN模版层、AlGaN/AlGaN超晶格应力弛豫层、n型AlGaN导电层； 
步骤2、生长AlGaN能带调控量子阱结构；该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。 
本发明提出的上述方案中多量子阱结构可应用于AlGaN基紫外及深紫外LED中，用于提升有源区的内量子效率，进而提高LED的功率和效率。 
附图说明
图1为本发明优选实施例中多量子阱结构的截面结构示意图。 
图2为本发明优选实施例中多量子阱结构与常规多量子阱结构在100A/cm2的电流密度下的能带对比图。 
图3为理论计算本发明优选实施例中多量子阱结构最后一个量子阱与常规多量子阱结构顶部最后一个量子阱中的电子空穴波函数空间分布对比图。 
图4为本发明多量子阱结构外延生长方法第一优选实施例中相关参数变化示意图。 
图5为本发明多量子阱结构外延生长方法第二优选实施例中相关参数变化示意图。 
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。 
图1为本发明优选实施例公开的一种可调控能带的UV LED的多量子阱结构示意图。如图1所示，从下往上为外延生长方向。其中所述多量子阱结构外延生长方向所对应晶面为极性面和半极性面，优选(0001)晶面，其基材料为AlxGa1-xN，其中0≤x≤1。沿着外延生长方向，该多量子阱结构包括： 
能带调控量子阱结构13，其通过交替重复生长量子阱势垒层11和组分渐变量子阱势阱层12层而形成。 
其中，量子阱势垒层11，其材料为AlxGa1-xN，0≤x≤1，厚度为厚度7-20nm，且势垒层AlGaN材料可以不掺杂或n型掺杂，其中并包括n型常规体掺杂和n型σ掺杂；组分渐变量子阱势阱层12，其材料为AlyGa1-yN，y＜x≤1，厚度为厚度1-7nm，其Al的组分沿外延生长方向线性渐变，Al组分线性减小，形成组分渐变量子阱势阱层，并且组分渐变量子阱势阱层12中的Al组分最大值和最小值差异小于0.15。 
本发明提出的上述多量子阱结构，还可以包括常规量子阱结构，所述常规量子阱结构由量子阱势阱层和组分不变量子阱势垒层交替重复生长而成，且其中量子阱势垒层的材料为AlxGa1-xN，0≤x≤1，组分不变量子阱势阱层的材料为AlyGa1-yN，y＜x≤1，且组分不变量子阱势阱层中的Al组分保持不变。 
上述多量子阱结构由多个常规量子阱同多个能带调控量子阱按照任意顺序组合构成，总量子阱数目1-15个；其中常规量子阱的个数大于等于0，能带调控量子阱的个数大于等于1；且靠近p侧的最顶部量子阱须为能带调控量子阱；且所述组分不变量子阱势阱层的中Al组分在所述组分渐变量子阱势阱层中Al组分的变化范围之内；所述UV LED多量子阱结构在空气中发射的电磁波辐射中心波长在200-360nm之间。 
上述多量子阱结构装置，其在空气中发射的电磁波辐射中心波长在360-650nm之间。 
图1给出了本发明提出的上述多量子阱结构的一种优选结构，图1中示出在顶部生长了5个能带调控量子阱13，其中势垒为Al0.5Ga0.5N，厚度7-20nm，优选为12nm，势阱为AlxGa1-xN，组分由0.33线性渐变到0.27，厚度1-7nm，优选为3nm；共5个能带调控量子阱。 
图2为本发明优选实施例中多量子阱结构与常规多量子阱结构在某一电流下的能带对比图。能带调控量子阱13的能带则明显不同于常规量子阱结构。图3为理论计算本发明优选实施例中多量子阱结构最后一个量子阱与常规多量子阱结构最后一个量子阱中的电子空穴波函数空间分布对比图。从图中可以看出，常规量子阱结构电子空穴波函数重叠积分为8％，而能带调控量子阱15的重叠积分为16.8％。其重叠积分提高了超过两倍，这意味着将大大提高量子阱中电子和空穴的辐射复合速率，提高内量子效率。 
本发明还公开了一种可调控能带的UV LED多量子阱结构装置的生成方法。 
根据本发明第一优选实施例，所述可调控能带的UV LED多量子阱结构外延生成方法包括： 
步骤1，在蓝宝石衬底上依次生长低温AlN成核层、高温AlN模版层、AlGaN/AlGaN超晶格应力弛豫层、n型AlGaN导电层； 
步骤2，生长AlGaN多量子阱结构；其中，常规的量子阱阱层生长在在AlGaN基紫外及深紫外二极管有源区的铝镓氮量子阱层生长温度环境下，通常生长温度在950℃-1300℃范围，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铝的流量和金属有机源材料镓的流量保持不变输入生长反应室，形成常规量子阱结构的AlGaN势阱层；能带调控量子阱势阱层生长在AlGaN基紫外及深紫外二极管有源区的铝镓氮量子阱层生长温度环境下，通常生长温度在950℃-1300℃范围，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铝的流量逐渐减小，金属有机源材料镓的流量保持不变输入生长反应室，形成组分渐变的AlGaN势阱层； 
步骤3，在AlGaN量子势阱层上再生长氮化镓量子势垒层； 
步骤4，循环重复以上步骤2)和3)至少一次，并且要求量子阱结构的开始和结束都是以步骤3)；优选地，重复执行5次，形成图1所示的结构；并要求至少在最后一次重复步骤2)时选用组分渐变的AlGaN势阱层生长条件； 
步骤5，最后生长p型氮化镓层。 
图4示出了可调控能带的UV LED多量子阱结构外延生成方法的第一优选实施例中，金属有机源材料铝、金属有机源材料镓以及反应室生长温度的变化情况。 
根据本发明第二优选实施例，所述可调控能带的UV LED多量子阱结构装置的外延生长方法包括： 
步骤1，在蓝宝石衬底上依次生长低温AlN成核层、高温AlN模版层、AlGaN/AlGaN超晶格应力弛豫层、n型AlGaN导电层；； 
步骤2，生长AlGaN多量子阱结构；其中，常规的量子阱阱层生长在在AlGaN基紫外及深紫外二极管有源区的铝镓氮量子阱层生长温度环境下，通常生长温度在950℃-1300℃范围，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铝的流量和金属有机源材料镓的流量保持不变输入生长反应室，形成常规量子阱结构的AlGaN势阱层；能带调控量子阱势阱层生长在AlGaN基紫外及深紫外二极管有源区的铝镓氮量子阱层生长温度环境下，通常生长温度在950℃-1300℃范围，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铝的流量保持不变，金属有机源材料镓的流量逐渐增加，输入生长反应室，形成组分渐变的AlGaN势阱层； 
步骤3，在AlGaN量子势阱层上再生长氮化镓量子势垒层； 
步骤4，循环重复以上步骤2)和3)至少一次，并且要求量子阱结构的开始和结束都是以步骤3)；优选地，重复5次，形成图1所示的结构；并要求至少在最后一次重复步骤2)时选用组分渐变的AlGaN势阱层生长条件； 
步骤5，最后生长p型AlGaN层。 
其中，第一优选实施例和第二优选实施例公开的上述方法中，生长能带调控量子阱势阱层时，需要依据反应室的生长温度条件下AlGaN的准热力学气-固组分关系[Lu Da-cheng，DuanShu-kun.Quasi-thermodynamic analysis of MOVPE growth of AlGaN.ChAlese J Crystal Growth，2000，208：83-78.]，以及考虑金属有机源材料铝与NH3之间的预反应[陆大成，段树坤，金属有机化合物气相外延基础及应用，北京科学出版社，2009年5月第一版，第68页]，对金属有机源材料铝和镓流量的控制，进而控制反应室中TMAl/(TMAl+TMGa)的比例变化生长出Al组分线性渐变的能带调控量子阱阱层。 
图5示出了可调控能带的UV LED多量子阱结构外延生成方法的第二优选实施例中，金属有机源材料铝、金属有机源材料镓以及反应室生长温度的变化情况。 
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (11)

1.一种可调控能带的UV LED多量子阱结构装置，其包括至少一个能带被调控的量子阱结构，该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。
2.根据权利要求1所述的多量子阱结构装置装置，其特征在于，所述UV LED多量子阱结构的生长晶面为极性面和半极性面；所述UV LED多量子阱结构的基材料为AlxGa1-xN，其中0≤x≤1。
3.根据权利要求1所述的多量子阱结构装置装置，其特征在于，所述UV LED多量子阱结构还包括常规量子阱结构，其由量子阱势垒层和组分不变的量子势阱层交替生成，所述量子阱势阱层中Al的组分保持不变。
4.根据权利要求3所述的多量子阱结构装置装置，其特征在于，量子阱势垒层材料为AlxGa1-xN，厚度7-20nm；组分渐变和组分不变的量子阱势阱层的材料为AlyGa1-yN，厚度1-7nm，其中，0≤y＜x≤1；所述常规量子阱结构和能带调控量子阱结构的数目在1-15之间。
5.根据权利要求4所述的多量子阱结构装置装置，其特征在于，所述量子阱势垒层中Al材料组分不变，而组分渐变量子阱势阱层中AlGaN材料组分沿生长方向渐变，其Al组分沿生长方向线性减小；所述组分不变量子阱势阱层的中Al组分在所述组分渐变量子阱势阱层中Al组分的变化范围之内。
6.根据权利要求1所述的多量子阱结构装置装置，其特征在于，所述至少有一个能带调控量子阱结构靠近UV LED的p型侧；所述UV LED多量子阱结构在空气中发射的电磁波辐射中心波长在200-360nm之间。
7.一种可调控能带的UV LED量子阱结构装置的外延生长方法，包括：
步骤1、在蓝宝石衬底上依次生长低温AlN成核层、高温AlN模版层、AlGaN/AlGaN超晶格应力弛豫层、n型AlGaN导电层；
步骤2、生长AlGaN能带调控量子阱结构；该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该方法还包括：生长常规量子阱结构；该常规量子阱结构由量子阱势垒层和组分不变量子势阱层交替生成，所述组分不变量子阱势阱层中Al的组分保持不变；其中，所述能带调控量子阱结构和常规量子阱结构按照预定的顺序和数量生长。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，常规量子阱势阱层生长在AlGaN基紫外及深紫外二极管有源区的铝镓氮量子阱层生长温度环境下，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铝的流量和金属有机源材料镓的流量保持不变输入生长反应室，形成常规量子阱结构的组分不变量子阱势阱层。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述能带调控量子阱势阱层生长在AlGaN基紫外及深紫外二极管有源区的铝镓氮量子阱层生长温度环境下，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铝的流量保持不变，金属有机源材料镓的流量逐渐增加，输入生长反应室，形成组分渐变量子阱势阱层。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述能带调控量子阱势阱层生长在AlGaN基紫外及深紫外二极管有源区的铝镓氮量子阱层生长温度环境下，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铝的流量逐渐减小，金属有机源材料镓的流量保持不变输入生长反应室，形成组分渐变量子阱势阱层。
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