CN106910804B - 一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个用于材料生长的衬底；层叠于该衬底上的AlInGaN基半导体叠层，该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型层、一层P型层和夹于N型层、P型层之间的AlInGaN多量子阱，特征是：在多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的V坑，且该种V坑的尺寸大小相同。本发明可实现V坑增强空穴注入功能的最优化，改善空穴与电子的匹配度，从而提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料，尤其是涉及一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构。
背景技术
铝铟镓氮（AlInGaN）基发光二极管（LED）具有广泛的用途，可应用于仪器工作指示、交通信号灯、大屏幕显示和通用照明等市场。然而，尽管已经取得了长足进步，AlInGaN基LED仍存在许多问题，这阻碍了其进一步的推广应用。AlInGaN基LED结构的多量子阱中的空穴浓度与电子浓度不匹配便是其中最主要的问题之一：1、由于Mg在GaN中的激活效率很低，难以获得高空穴浓度的P型GaN，从而导致注入到量子阱中的空穴浓度低于电子，过剩的电子累积下来就会很容易溢出量子阱，造成效率损失；2、相比电子，空穴的迁移率小很多，因此空穴通常堆积在靠近P层的量子阱中，易使得俄歇复合成为主导复合机制。俄歇复合作为一种非辐射复合，其速率与载流子浓度的立方成正比；随着载流子浓度的增大，俄歇复合会逐渐占据主导地位，造成LED效率下降。在大的电流密度下，量子阱中的电子浓度往往高于空穴浓度数倍，空穴与电子的不匹配程度更高，电子溢出更严重，而且靠近P层的量子阱中俄歇复合机制成为主导复合机制，从而使得LED的发光效率明显下降。这种随电流密度增大，LED的内量子效率（IQE）急剧降低的现象被称为IQE骤降效应。
为提高空穴与电子的匹配度，可在材料生长中引入V坑。众所周知，由于采用异质外延，AlInGaN材料与衬底材料之间在晶格常数和热膨胀系数上存在较大差异，因此在生长多量子阱时会产生大量的位错。位错是非辐射复合中心，将成为载流子“杀手”，降低LED的发光效率。然而，通过控制阱前准备层的生长工艺，位错在穿透多量子阱的过程中，会诱导产生一种V型缺陷。这种V型缺陷实际上是围绕在位错四周的锥型坑，简称为V坑，其结构如图1所示，呈倒六角金字塔状。图2为带有V坑的LED外延结构的剖面示意图。如图2所示，Ｖ坑4在阱前准备层5中形核于位错11之上，并随着阱前准备层5生长厚度的增加而长大。随后生长的多量子阱12会在Ｖ坑4侧壁的半极性面上生长，形成Ｖ坑侧壁量子阱7和V坑侧壁量子垒8，Ｖ坑4也逐渐长大。最后通过在中空的V坑4中填入p型层10，从而获得表面平整的LED外延结构。有研究结果表明，V坑4可有效屏蔽位错11，减少载流子在位错11上的非辐射复合几率；另外，V坑4也有增强空穴注入的作用。这种空穴注入的增强包括两个方面：1）提高了空穴由P层注入到多量子阱的注入效率，即提高了空穴注入多量子阱的数目；2）改善了空穴在各量子阱中的浓度均匀性，即各量子阱中的空穴浓度差异减小。以上两个方面均提高了空穴与电子的匹配度，减少了电子溢出和俄歇复合几率。因此，通过控制V坑的生长，可显著提高LED的发光效率。然而，在生长过程中产生的V坑是由位错诱导产生的，所以每个V坑都围绕着位错而长大，其空间位置由位错决定，基本是随机分布的。这种随机分布虽不影响V坑屏蔽位错的功能，但却无法使得V坑增强空穴注入的功能最优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在消除位错影响的情况下将V坑增强空穴注入的功能最优化、以期进一步改善空穴与电子的匹配度、提高LED的发光效率的AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构。
本发明的目的是这样实现的：
一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个用于材料生长的衬底；层叠于该衬底上的AlInGaN基半导体叠层，该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型层、一层P型层和夹于N型层、P型层之间的AlInGaN多量子阱，特征是：在多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的V坑。
所述V坑的形成起始位置为衬底或N型层。
所述N型层包括但不限于缓冲层、N型AlInGaN层、阱前准备层中的一层或多层。
所述P型层包括但不限于电子阻挡层、空穴注入层、P型AlInGaN层中的一层或多层。
所述N型层生长平面或P型层的生长平面均为极性面，即（0001）晶面族。
所述V坑的侧壁为半极性面，以（10-11）晶面族为最优。
所述V坑的尺寸大小相同，在N型层生长平面或P型层生长平面的投影为周期性排列的正六边形，每个正六边形都仅与其它六个正六边形相邻；所有正六边形的边长均相等，且任意相邻两个正六边形的中心距相等。
所述衬底包括但不限于：蓝宝石、SiC、GaN或Si中的一种。
在多量子阱结构生长结束之后，P型层生长开始之前时，所述V坑在（0001）晶面族生长平面的正六边形投影的边长a值范围为0.01∽5微米，相邻两个正六边形的中心距d值大于正六边形边长a值的2倍：d＞2a，且所有正六边形面积之和与多量子阱在生长平面的面积之比η值范围为12%∽75%。
优选范围：正六边形边长a值为0.02∽0.5微米，η值为25%∽55%值。
所述外延结构的实现方式采用n次外延（n=1，2，3，4）；在完成外延结构生长的过程中，中途中断生长，取出外延片进行工艺处理后，再次放入外延炉继续生长，即为二次生长；n次外延为这种中断出现了（n-1）次。
所述V坑周期性排列的实现方式有两种：1）直接在V坑起始层上，通过刻蚀或腐蚀的工艺方式形成周期性排列的V坑；2）通过工艺控制位错分布，先使位错实现周期性排列，然后在阱前准备层中由位错诱导产生V坑，则V坑将继承位错的周期性排列方式。这两种方式实现的V坑统称为“工艺V坑”。
因此，本发明的特点是：设计了“工艺V坑”，若干个“工艺V坑”尺寸大小一致、周期性排列且均匀分布，使得V坑增强空穴注入的功能最优化，从而改善了空穴与电子的匹配度，提高LED的发光效率。为与“工艺V坑”区分，自然生长过程中产生的、由随机分布的位错诱导的V坑称为“自然V坑”。
图3为本发明所述外延结构的示意图。如图所示，“工艺V坑”的产生不依赖于位错。位错仍旧是随机分布的。虽然通过控制外延工艺，可抑制“自然V坑”的长大；但不可避免的，位错仍可诱导产生尺寸较小的“自然V坑”。这种尺寸很小的“自然V坑”虽然增强空穴注入的功能很弱，但仍具有屏蔽位错的作用。因此，对于“工艺V坑”来说，无需考虑屏蔽位错的功能，仅需考虑增强空穴注入的功能。通过有意地控制“工艺V坑”在生长平面成周期性排列（如图4所示，以AB排列为一个周期），可实现V坑增强空穴注入功能的最优化。
因此，本发明具有在消除位错影响的情况下将V坑增强空穴注入的功能最优化、以期进一步改善空穴与电子的匹配度、提高LED的发光效率的优点。
附图说明
图1为侧面为{10-11}面的V坑结构示意图；
图2是具有V坑的LED外延结构的剖面示意图；图中：1为衬底，2为缓冲层，3为N型AlInGaN层，4为V坑，5为阱前准备层，6为平台量子垒，7为V坑侧壁量子阱，8为V坑侧壁量子垒，9为平台量子阱，10为P型AlInGaN层，11为位错，12为多量子阱；
图3为本发明所述外延结构的示意图；图中：1为衬底，2为缓冲层，3为N型AlInGaN层，4为“工艺V坑”，5为阱前准备层，6为平台量子垒，7为V坑侧壁量子阱，8为V坑侧壁量子垒，9为平台量子阱，10为P型AlInGaN层，11为位错，12为多量子阱，13为“自然V坑”；
图4为在生长平面（0001）面中成周期性排列的V坑示意图；图中：1为“工艺V坑”（在生长平面的投影为正六边形），2为生长平面（0001）面，周期性排列方式为ABABAB……；
图5为实施例1中外延结构的示意图；图中：1为衬底，2为缓冲层，3为N型AlInGaN层，4为“工艺V坑”，5为阱前准备层，6为平台量子垒，7为V坑侧壁量子阱，8为V坑侧壁量子垒，9为平台量子阱，10为P型AlInGaN层，11为位错，12为多量子阱，13为“自然V坑” ；
图6为实施例2中外延结构的示意图；图中：1为衬底，2为缓冲层，3为N型AlInGaN层，4为“工艺V坑”，5为阱前准备层，6为平台量子垒，7为V坑侧壁量子阱，8为V坑侧壁量子垒，9为平台量子阱，10为P型AlInGaN层，11为位错，12为多量子阱，13为“自然V坑”；
图7为实施例3中外延结构的示意图；图中：1为衬底，2为缓冲层，3为N型AlInGaN层，4为“工艺V坑”，5为阱前准备层，6为平台量子垒，7为V坑侧壁量子阱，8为V坑侧壁量子垒，9为平台量子阱，10为P型AlInGaN层，11为位错，12为多量子阱，13为“自然V坑”；
图8为实施例5中外延结构的示意图；图中：1为衬底，2为缓冲层，3为N型AlInGaN层，4为“工艺V坑”，5为阱前准备层，6为平台量子垒，7为V坑侧壁量子阱，8为V坑侧壁量子垒，9为平台量子阱，10为P型AlInGaN层，11为“工艺位错”，12为多量子阱。
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例介绍了V坑起始位置为衬底的外延结构。
参考图5。图中，1为衬底，在衬底1上周期性排布着“工艺V坑”4，“人工V坑”4在衬底1上表面的投影示意图如图4所示。在衬底1上生长缓冲层2，由于衬底1上“工艺V坑”4的存在，在“工艺V坑”4侧壁也会生长半极性面缓冲层；而且，缓冲层2在半极性面上的生长速度小于在极性面的生长速度。因此，在缓冲层2中也会形成“工艺V坑”4，缓冲层2中 “工艺V坑”4的尺寸大于衬底1中“工艺V坑”4的尺寸，且继承了衬底1中“工艺V坑”4的周期性排列方式。同样，在缓冲层2上生长N型AlInGaN层3，也会在N型AlInGaN层3中形成周期性排列的“工艺V坑”，且尺寸继续增大。随后，在N型AlInGaN层3上生长阱前准备层4，在阱前准备层4中除了会继承N型AlInGaN层3中的周期性排列的“工艺V坑”4，还会形成位错11诱导的小型“自然V坑”13。然后，在阱前准备层4中生长多量子阱12，在“工艺V坑”4和“自然V坑”13侧壁均会形成V坑侧壁量子阱7和V坑侧壁量子垒8，在（0001）生长面形成平台量子阱9和平台量子垒6。最后，生长P型AlInGaN层10，将“工艺V坑”4和“自然V坑”13填满，外延层变平。该外延结构在衬底1上直接形成“工艺V坑”4，因此可采用一次外延方式完成整个外延结构。
实施例2：
相比实施例1，衬底1改为无“工艺V坑”结构，即“工艺V坑”4起始于缓冲层2中；外延结构参考图6。该外延结构需生长完缓冲层2后再引入“工艺V坑”4，因此需采用二次外延方式来完成整个外延结构。
实施例3：
相比实施例2，缓冲层2改为无“工艺V坑”结构，即“工艺V坑”4起始于N型AlInGaN层3中；外延结构参考图7。该外延结构需生长完N型AlInGaN层3后再引入“工艺V坑”4，因此需采用二次外延方式来完成整个外延结构。
实施例4：
相比实施例3，N型AlInGaN层3改为无“工艺V坑”结构，即“工艺V坑”4起始于阱前准备层5中；外延结构参考图3。该外延结构需生长完阱前准备层后再引入“工艺V坑”4，因此需采用二次外延方式来完成整个外延结构。
实施例5：
相比实施例4，通过工艺控制位错形成位置，使得位错的分布在生长平面成周期性分布；这种位错称为“工艺位错”11。然后，在阱前准备层5中由“工艺位错”11诱导产生“工艺V坑”4，此时“工艺V坑”4继承“工艺位错”11的分布，在生长平面成周期性排列（如图4所示）。由于位错的出现被工艺控制，因此无自然生长过程中产生的、由随机分布的位错诱导的“自然V坑”。外延结构参考图8。该种结构的完成需要在生长过程中控制位错的形成位置，需要多次中断生长，对外延片进行工艺处理。
Claims (7)
1.一种AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，包含：一个用于材料生长的衬底；层叠于该衬底上的AlInGaN基半导体叠层，该AlInGaN基半导体叠层至少包含一层N型层、一层P型层和夹于N型层、P型层之间的AlInGaN多量子阱，其特征在于：在多量子阱中镶嵌有在生长平面中呈周期性排列的V坑；所述V坑的尺寸大小相同，在N型层生长平面或P型层生长平面的投影为周期性排列的正六边形，每个正六边形都仅与其它六个正六边形相邻；所有正六边形的边长均相等，且任意相邻两个正六边形的中心距相等；任意相邻两个正六边形之间最近邻边相互平行，从而使得平面量子阱在生长平面的投影为呈正六边形环组成的网状结构；在多量子阱结构生长结束之后，P型层生长开始之前时，所述V坑在(0001)晶面族生长平面的正六边形投影的边长a值范围为0.02～0.5微米，相邻两个正六边形的中心距d值大于正六边形边长a值的2倍：d>2a，且所有正六边形面积之和与多量子阱在生长平面的面积之比η值范围为25%～55%。
2.根据权利要求1所述的 AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，其特征在于:所述N型层生长平面或P型层生长平面均为极性面,即(0001)晶面族。
3.根据权利要求1所述的 AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，其特征在于:所述V坑的侧壁为半极性面。
4.根据权利要求1所述的 AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构，其特征在于：所述外延结构的实现方式采用n次外延，n=1,2,3,4；在完成外延结构生长的过程中，中途中断生长,取出外延片进行工艺处理后，再次放入外延炉继续生长，即为二次生长；n次外延为这种中断出现了n-1次。
5.根据权利要求1所述的 AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构,其特征在于:所述V坑周期性排列的实现方式有两种:1)直接在V坑起始层上,通过刻蚀或腐蚀的工艺方式形成周期性排列的V坑;2)通过工艺控制位错分布,先使位错实现周期性排列,然后在阱前准备层中由位错诱导产生V坑,则ν坑将继承位错的周期性排列方式;这两种方式实现的V坑统称为“工艺V坑”。
6.根据权利要求1所述的 AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构,其特征在于:所述V坑的形成起始位置为衬底或N型层。
7.根据权利要求1所述的AlInGaN基多量子阱发光二极管的外延结构,其特征在于:所述衬底为蓝宝石、SiC、GaN或Si中的一种。
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