CN107316923A

CN107316923A - 一种正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管

Info

Publication number: CN107316923A
Application number: CN201710449428.8A
Authority: CN
Inventors: 苏龙兴; 方晓生
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2017-11-03

Abstract

本发明属于半导体光电器件技术领域，具体为一种正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管。该发光二极管包括：衬底、缓冲层、n型GaN、多量子阱MQWs和p型GaN。其中多量子阱MQWs由具有In组份周期正弦波形状变化的In_xGa_1‑xN/GaN组成，通过调节量子阱层中的In组份周期性变化，使得：形成周期性的富In组份聚集区，降低载流子非辐射复合效率；相邻量子阱间的载流子形成强烈耦合，有利于载流子的集体振荡，提升辐射复合效率；调节能带结构，减低极化效应，提升量子阱中电子和空穴的波函数交叠，最终实现发光二极管的发光强度和量子效率大幅度提升。

Description

一种正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管

技术领域

本发明属于半导体光电器件技术领域，具体涉及周期性正弦量子阱耦合调控增强型GaN基发光二极管。

背景技术

自发光二极管（LED）被发明以来，已经被市场证明为一种具有巨大潜力的发光器件，可广泛应用于背光源、植物工厂和通用照明等领域。GaN作为目前实现商用LED的源材料，一直都受到了各个国家广泛的关注和投入，同时也被一些发达国家定位为战略性新兴材料。目前世界LED市场竞争激烈，中国的LED企业在国际大环境中面临着巨大的压力和挑战。面对国际大厂如欧司朗、日亚化学等著名企业的竞争，国内的LED企业应该从核心技术出发开展研究，提升自身的核心技术，这样才能在激烈的市场竞争中获得一席之地。对于商用LED来说，因为量子阱是电子和空穴复合发光的有源层，所以整个LED结构中多量子阱层的生长至关重要的。目前在GaN基发光二极管的多量子阱中，阱层的材料是In_xGa_1-xN。但是由于InN和GaN的物理特性（晶格常数、热导率系数、极性强弱、化学键能等）相差较大，量子阱中的缺陷密度往往较高，形成非辐射复合中心，降低了LED的发光效率；另外多量子阱中各阱层中空穴和电子的复合并没有关联，不利于实现载流子级联振荡耦合，从而发光效率得不到进一步提升。因此，有必要提出一种正弦周期性量子阱耦合调控增强型GaN基发光二极管。

发明内容

针对以上技术问题，本发明的目的在于提供一种发光效率高的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管。

本发明提供的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，包括衬底1、衬底上面的缓冲层2、n型GaN层3，在n型GaN层上面的In_xGa_1-xN/GaN多量子阱4（记为MQWs），在多量子阱层上面的p型GaN层5，在p型层和n型层上的金属接触电极6；其中，多量子阱层中阱层由In组份具有周期正弦波形状变化的In_xGa_1-xN组成，垒层则由GaN组成。

进一步地，所述的衬底1可为蓝宝石（Al₂O₃）、单晶硅（Si）、单晶氮化镓（GaN）、单晶砷化镓（GaAs）和单晶碳化硅（SiC）等。

进一步地，所述的缓冲层2可以是GaN、AlN、AlGaN、InAlGaN中的一种或多种组合材料组成。

进一步地，所述的n型GaN层通过掺Si或Ge实现，载流子浓度控制在10¹⁶ cm^-3~10²⁰cm^-3之间，厚度为50 nm~5 μm。

进一步地，所述的多量子阱（MQWs）对数为3~15对，由具有In组份周期正弦波形状变化的In_xGa_1-xN/GaN组成，通过调节量子阱层中的In组份周期性变化，形成周期性的富In组份聚集区，使相邻量子阱间的载流子形成强烈耦合，调节能带结构；In_xGa_1-xN阱层中调制的In组份波动不超过发光主波长特定In组份的20%。

本结构具有以下三个优势：1，形成周期性的富In组份聚集区，降低载流子非辐射复合效率；2，相邻量子阱间的载流子形成强烈耦合，有利于载流子的集体振荡，提升辐射复合效率；3，调节能带结构，减低极化效应，提升量子阱中电子和空穴的波函数交叠，最终实现发光二极管的发光强度和量子效率大幅度提升。

进一步地，所述的多量子阱层中的In_xGa_1-xN层的具有周期性应力。

进一步地，所述的p型GaN层通过掺Mg或Zn实现，载流子浓度控制在10¹⁶ cm^-3~10¹⁹cm^-3之间，厚度为50 nm~500 nm。

进一步地，所述的接触金属电极为钛Ti、铂Pt、金Au、银Ag、铝Al等单层金属或金属复合层；接触电极层的厚度为30 nm~500 nm，然后在接触电极上再蒸镀一层10 nm~500 nm厚的金Au层，起到防止接触金属氧化和优化导电性能的作用。

上述正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管的制备方法，包括如下步骤：

① 在生长前先对衬底进行清洗，Si衬底的清洗步骤为：先在硫酸H₂SO₄和双氧水H₂O₂中清洗1 min~5 min，接着在氢氟酸HF中清洗1 min~ 3 min，把Si表面的SiO₂氧化层腐蚀掉，紧接着在氨水NH₃.H₂O和双氧水H₂O₂中清洗3 min~15 min，再继续在氢氟酸HF中清洗1 min~3 min，最后在盐酸HCl中清洗3 min~15 min，用去离子水冲干净，用氮气枪吹干然后装入生长腔直接生长；Al₂O₃、GaN衬底和SiC衬底则不需要生长前清洗；

② 在衬底处理完后，开始缓冲层的生长，根据生长方法的不同，可用的方法包括磁控溅射法（sputter）、分子束外延法（MBE）、金属有机气相沉积法（MOCVD）和激光脉冲沉积法（PLD）；

③ 生长完缓冲层后，开始n型GaN层的生长，其厚度可通过生长时间的长短控制，掺杂元素为Si或Ge；接着开始多量子阱In_xGa_1-xN/GaN层的生长，通过控制生长的衬底温度周期正弦函数变化来控制阱层中In组份的含量；接着开始p型GaN层的生长，掺杂元素为Mg或Zn；根据生长方法的不同，可用的方法包括磁控溅射法（sputter）、分子束外延法（MBE）、金属有机气相沉积法（MOCVD）和激光脉冲沉积法（PLD）；

④ 薄膜制备完后先用丙酮、异丙醇IPA（丙醇）等化学试剂对薄膜的表面进行清洗，得到干净的表面；然后用光学掩膜的方法在薄膜上面做图案，把需要刻蚀的部分裸露出来，不需要刻蚀的部分则用光刻胶覆盖，然后采用标准ICP刻蚀的方法把裸露部分的p型层和多量子阱层刻蚀掉，使部分n型层裸露出来；

⑤ 再次把刻蚀完的样品用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水清洗干净，然后进行光刻掩膜，用电子束蒸镀（热蒸发）的方法在样品上面镀上金属电极，所制备的电极包括所提及的各种金属，根据所需接触的不同进行选择。

附图说明

图1：本发明的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管的结构示意图。

图2：多量子阱的结构示意图。

图3：量子阱的阱层能带结构的示意图。

图中标号：1为衬底，2为缓冲层，3为n型GaN层，4为In_xGa_1-xN/GaN多量子阱层，5为p型GaN层，6为金属接触电极。

具体实施方式

实施例1，一种如图1所示的一种正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，包括衬底1、衬底上面的缓冲层2、n型GaN层3，；在n型GaN层上面的In_xGa_1-xN/GaN多量子阱4，在多量子阱层上面的p型GaN层5，在p型层和n型层上的金属接触电极6。

本实施例中薄膜层生长采用分子束MBE外延的方法，具体制备方法如下：

1）在生长前先对衬底进行清洗，其中Si衬底的清洗步骤为：先在硫酸H₂SO₄和双氧水H₂O₂中清洗1 min~5 min，接着在氢氟酸HF中清洗1 min~ 3 min，把Si表面的SiO₂氧化层腐蚀掉，紧接着进一步在氨水NH₃.H₂O和双氧水H₂O₂中清洗3 min~15 min，接着再继续在氟酸HF中清洗1 min~ 3 min，最后在盐酸HCl中清洗3 min~15 min后用去离子水冲干净，在氮气枪下吹干后装入生长腔直接生长。Al₂O₃、GaN、SiC、GaAs单晶衬底则不需要生长前清洗。

2）开始缓冲层的生长,各固体源的束流可通过控制固态源的加热温度来调节或者激光的脉冲功率来调节，气体源或金属有机源则通过质量流量计来控制；缓冲层的厚度为10 nm ~ 500 nm，厚度可通过生长时间精确控制。

3）生长完缓冲层后，开始n型GaN层的生长，掺杂元素为Si或Ge，固体源的束流可通过控制固态源的加热温度或者激光的脉冲功率来调节，金属有机源或气体源则通过质量流量计来控制；n型GaN层的厚度为50 nm~5 μm，厚度可通过生长时间的长短精确控制。

4）生长完n型GaN层后，接着采着生长In_xGa_1-xN/GaN多量子阱层，阱层In_xGa_1-xN中的In组份通过控制衬底温度周期正弦波函数形状变化来调控，固体源的束流可通过控制固态源的加热温度或者激光的脉冲功率来调节，金属有机源或气体源则通过质量流量计来控制。

5）生长完In_xGa_1-xN/GaN多量子阱层后，接着开始p型GaN层的生长，掺杂元素为Mg、Ga或Zn等，固体源的束流可通过控制固态源的加热温度或者激光的脉冲功率来调节，气体源则通过质量流量计来控制；p型层的厚度为10 nm~500 nm，厚度可通过生长时间的长短控制。

6）薄膜制备完后先后用丙酮、异丙醇IPA（丙醇）等化学试剂对薄膜的表面进行清洗，以得到干净的表面；然后用光学掩膜的方法在薄膜上面做图案，把需要刻蚀的部分裸露出来，不需要刻蚀的部分则用光刻胶覆盖，然后采用标准ICP刻蚀的方法把p型层和多量子阱层刻蚀掉，使部分n型层裸露出来。

7）刻蚀完的样品用丙酮、异丙醇（IPA）和去离子水清洗干净。然后进行光刻掩膜，用电子束蒸镀（热蒸发）的方法在其上面镀上金属电极，完成器件的制备，所制备的电极包括权利要求7所提及的各种金属。

实施例2，缓冲层、n型GaN层、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱层、p型GaN层通过金属有机气相沉积（MOCVD）的方法来实现。

实施例3，缓冲层、n型GaN层、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱层、p型GaN层通过脉冲激光沉积（PLD）的方法来实现。

实施例4，缓冲层、n型GaN层、In_xGa_1-xN/GaN多量子阱层、p型GaN层通过磁控溅射（Sputter）的方法来实现。

Claims

1.一种正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，其特征在于，包括衬底、衬底上面的缓冲层、n型GaN层，在n型GaN层上面的In_xGa_1-xN/GaN多量子阱，在多量子阱层上面的p型GaN层，在p型层和n型层上的金属接触电极；其中多量子阱层中阱层由In组份具有周期正弦波状变化的In_xGa_1-xN组成，垒层则由GaN组成。

2.根据权利要求1所述的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、单晶硅、单晶氮化镓或单晶砷化镓。

3.根据权利要求1所述的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，其特征在于，所述缓冲层是不同厚度的GaN、AlN、AlGaN和InAlGaN之中的一种或多种材料组成。

4. 根据权利要求1、2或3所述的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，其特征在于，所述n型GaN层通过掺Si或Ge实现，载流子浓度控制在10¹⁶ cm^-3~10²⁰ cm^-3之间，厚度为50nm~5 μm。

5.根据权利要求4所述的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，其特征在于，所述多量子阱MQWs对数为3~15对，由具有In组份周期正弦波形状变化的In_xGa_1-xN/GaN组成，通过调节量子阱层中的In组份周期性变化，形成周期性的富In组份聚集区，使相邻量子阱间的载流子形成强烈耦合，并调节能带结构。

6. 根据权利要求1、2、3或5所述的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，其特征在于，所述p型GaN层通过掺Mg或Zn实现，载流子浓度控制在10¹⁶ cm^-3~10¹⁹ cm^-3之间，厚度为50nm~500 nm。

7.根据权利要求6所述的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管，其特征在于，所述接触金属电极为钛、铂、金、银、铝的单层金属或金属复合层；接触电极层的厚度为30 nm~500 nm，在接触电极上蒸镀有一层10 nm~500 nm厚的金Au层。

8.一种如权利要求1-7之一所述的正弦量子阱耦合增强型GaN基发光二极管的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

① 衬底清洗，其步骤为：先在硫酸H₂SO₄和双氧水H₂O₂中清洗1 min~5 min，接着在氢氟酸HF中清洗1 min~ 3 min，把Si表面的SiO₂氧化层腐蚀掉，紧接着在氨水NH₃.H₂O和双氧水H₂O₂中清洗3 min~15 min，再继续在氢氟酸HF中清洗1 min~ 3 min，最后在盐酸HCl中清洗3min~15 min后用去离子水冲干净，用氮气枪吹干然后装入生长腔直接生长；Al₂O₃、GaN衬底和SiC衬底则不需要清洗；

② 生长缓冲层，方法包括磁控溅射法、分子束外延法、金属有机气相沉积法和激光脉冲沉积法；

③薄膜制备，先生长n型GaN层，其厚度通过生长时间的长短控制，掺杂元素为Si或Ge；接着生长开始多量子阱In_xGa_1-xN/GaN层，通过控制生长的衬底温度周期正弦函数变化来控制阱层中In组份的含量；接着生长开始p型GaN层，掺杂元素为Mg或Zn；生长方法包括磁控溅射法、分子束外延法、金属有机气相沉积法和激光脉冲沉积法；

④ 薄膜制备完后，先用丙酮、异丙醇对薄膜的表面进行清洗，得到干净的表面；然后用光学掩膜的方法在薄膜上面做图案，把需要刻蚀的部分裸露出来，不需要刻蚀的部分则用光刻胶覆盖，然后采用ICP刻蚀的方法把裸露部分的p型层和多量子阱层刻蚀掉，使部分n型层裸露出来；

⑤ 再次把刻蚀完的样品用丙酮、异丙醇和去离子水清洗干净，然后进行光刻掩膜，用电子束蒸镀的方法在样品上面镀上金属电极。