CN104733574B - 一种具有补偿极化效应的量子阱结构 - Google Patents

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本发明提供一种具有补偿极化效应的量子阱结构，包括由GaN基半导体化合物构成的多量子阱有源层；两个位于所述有源层两侧具有比有源层更高的导带能量和更低的价带能量的势垒层；其特征在于所述有源层的导带能量逐渐减小，价带能量逐渐增加。该结构的量子阱在施加驱动电压时可以补偿由于极化场产生的载流子分布不均匀现象，从而提高了电子和空穴的复合率，提高发光强度。

Description

一种具有补偿极化效应的量子阱结构
技术领域
本发明涉及半导体生产制备领域，尤其涉及一种具有补偿极化效应的量子阱结构。
背景技术
发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。当半导体PN结的两端加上正向电压后，注入PN结中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出颜色为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的光。其中，以氮化镓（GaN）为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光效率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电子器件领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。目前，氮化镓LED发光器件主要采用P-N结结构，并且在P型半导体和N型半导体之间设有多量子阱结构，量子阱是通过在两种不同的半导体层之间插入薄半导体层而形成的一种结构，该薄半导体层具有比那两种半导体层小得多的能量带隙。现在普遍应用的GaN基发光二极管结构为：在N型掺杂的GaN层上生长N型掺杂的AlGaN层，随后生长InGaN/GaN多量子阱，然后再生长P型掺杂的AlGaN层和P型掺杂的GaN层，在生长InGaN/GaN多量子阱时，GaN势垒层上掺Si，这样可以提高GaN的晶体质量，同时促使量子阱中的In凝聚成In团，使二极管发光增强。但这种结构也存在明显的缺点：首先，势垒掺Si在量子阱中引入了N型杂质，使得P-N结偏离InGaN/GaN多量子阱区，从而在发光二极管工作于正向偏压时，量子阱区的少数载流子为空穴，空穴在扩散过程中与电子复合发光，但由于空穴的迁移率很低，扩散长度很小，发生辐射复合的电子与空穴数目也相应减少；相反，P型掺杂的GaN层中的少数载流子为电子，其扩散长度很长，这就是复合区域大部分位于P型掺杂的GaN层，而发生在多量子阱中辐射复合减弱；其次，在这种结构中，电子和空穴复合方式主要以直接辐射发光为主，随着载流子注入的增加，发光中心趋于饱和，多余的载流子会通过非辐射复合过程复合，极大限制了以InGaN/GaN多量子阱为有源区的发光二极管发光强度的进一步提高。
目前GaN基发光二极管所采用的InGaN/GaN多量子阱是方势阱，如图1A所示，施加电压后由于自发极化和压电极化效应，量子阱中有很强的电场，使量子阱有源层的能带发生倾斜现象，如图1B所示，使量子阱中电子和空穴在空间上发生分离，极大限制了电子和空穴辐射复合几率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种新量子阱结构，以克服由于极化场的产生使载流子分布不均匀而引起的复合效率低和发光亮度低的缺陷。
为了解决本发明的技术问题，本发明提供一种具有补偿极化效应的量子阱结构，如图2A所示，包括由GaN基半导体化合物构成的多量子阱有源层，还包括两个位于所述有源层两侧具有比有源层更高的导带能量和更低的价带能量的势垒层，其中所述有源层的导带能量逐渐减小，价带能量逐渐增加。
优选地，所述有源层由In1-xGaxN构成，所述预定成分是In，且0<x<1。
优选地，所述势垒层由In1-xGaxN构成，其中0<x<1。
优选地，所述有源层的能量带隙在1.59eV至3.26eV之间。
优选地，所述外延结构是在MOCVD中生长的。
本发明的有益效果：
本发明提供一种具有补偿极化效应的量子阱结构，该结构的量子阱有源层的导带能量逐渐减小，价带能量逐渐增加，在施加驱动电压时可以补偿由于极化场产生的载流子分布不均匀现象，从而提高了电子和空穴的复合率，提高发光强度。
附图说明
图1A现有技术中的方式阱多量子阱的示意图；
图1B为现有技术中的方式阱多量子阱施加电压后的示意图；
图2A本发明的多量子阱的示意图；
图2B为本发明的多量子阱施加电压后的示意图。
具体实施方式
图2A是根据本发明一个实施例的量子阱结构的示意图。参考图2A，两个势垒层D1和D2的各导带能量和价带能量具有恒定的能级并与恒定的能量带隙彼此隔开。有源层E设置在两个势垒层D1和D2之间。有源层的导带能量和价带能量逐渐改变，其中有源层的导带能量由于预定成分的含量变化逐渐减小，有源层的价带能量由于预定成分的含量变化逐渐增加，从而导致导带能量和价带能量之间的能量带隙逐渐减少。图2B示出了图2A中所示的量子阱施加驱动电压之后的量子阱结构。参考图2B，与图1B中所示的量子阱结构不同，势垒层D1和D2的导带能量和价带能量由于逐渐改变，从而补偿了施加电压后产生的极化场效应，使得有源层E的导带能量具有恒定的能级。该量子阱结构与图1中所示的现有的量子阱施加驱动电压后电子和空穴不对称分布的量子阱结构形成对比。换句话说，当向图2A中的量子阱结构施加驱动电压时，由于该量子阱的有源层的导带能量和价带能量之间的能量带隙逐渐改变的结构能够补偿极化场效应对导带的拉斜作用，使得电子和空穴能够对称分布，由于电子和空穴的这种对称分布，电子和空穴可以容易地复合，从而提高了发光效率。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种具有补偿极化效应的量子阱结构，包括：由GaN基半导体化合物构成的多量子阱有源层；两个位于所述有源层两侧具有比有源层更高的导带能量和更低的价带能量的势垒层；其特征在于所述有源层的导带能量逐渐减小，价带能量逐渐增加；
所述有源层由In1-xGaxN构成，预定成分是In，且0<x<1；有源层的导带能量由于预定成分的含量变化逐渐减小，有源层的价带能量由于预定成分的含量变化逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的具有补偿极化效应的量子阱结构，其特征在于所述势垒层由In1-xGaxN构成，其中0<x<1。
3.根据权利要求1所述的具有补偿极化效应的量子阱结构，其特征在于所述有源层的能量带隙在1.59eV至3.26eV之间。
4.根据权利要求1所述的具有补偿极化效应的量子阱结构，其特征在于所述量子阱结构是在MOCVD中生长的。
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