CN108878608A - 一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，包括由下而上依次设置的：蓝宝石衬底层、GaN低温形核层、U‑GaN层、N‑GaN层、第一InGaN应变减少层、InGaN量子点有源区、电子阻挡层和P‑GaN层，所述第一InGaN应变减少层为In组分低于10%的InGaN单层或InGaN/GaN超晶格。通过在InGaN量子点LED外延结构中引入InGaNInGaN应变减少层，本发明带来如下有益效果：(1)削弱了量子限制斯塔克效应；(2)降低了InGaN量子点有源区的缺陷密度；(3)弥补了量子点态密度不足的缺陷。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子材料领域，特别涉及一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构。
背景技术
GaN基LED被称为第四代照明光源，具有能耗低、寿命长、体积小、亮度高等优点，已逐渐取代传统的白炽灯与荧光灯，成为照明市场的主流光源。
市场上现有的GaN基LED均为量子阱LED，以蓝绿光LED为代表，其发光层一般为InGaN/GaN多量子阱有源区。虽然获得了巨大的成功，但InGaN/GaN多量子阱中却有着本质上的缺点，无法通过技术手段完全克服。第一，由于InGaN与GaN之间的晶格失配，以及GaN材料制备过程中产生的高密度的穿透位错，InGaN/GaN量子阱内部有大量的穿透位错、失配位错等缺陷，每个缺陷都是一个非辐射复合中心，导致了辐射复合效率的下降；第二，由于InGaN量子阱处于压应变状态，导致InGaN量子阱中存在压电极化场，使电子与空穴波函数空间分离，降低了辐射复合效率，这种现象被称为量子限制斯塔克效应。当In组分增加时，缺陷密度与压电极化场随之提高。据此可以看出，随着波长的红移，缺陷密度与压电极化场提高，LED发光效率下降。
为了克服InGaN/GaN量子阱结构中存在高缺陷密度及极化电场的缺点，科学家们提出采用低维纳米结构(包括GaN基纳米线及)作为发光材料。通过弹性形变，纳米结构可以有效地释放应力，显著降低极化效应及缺陷密度。以GaN基纳米棒为外延材料制备的LED被称为3D LED，GaN基纳米棒制备工艺较为复杂，制备成本高昂，且3D LED芯片制备工艺不成熟，尙无法应用到实际生产当中。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，包括由下而上设置的蓝宝石衬底层、GaN低温形核层、U-GaN层、N-GaN层、第一InGaN应变减少层、InGaN量子点有源区、电子阻挡层和P-GaN层，所述第一InGaN应变减少层为In组分低于10%的InGaN单层或InGaN/GaN超晶格。
所述InGaN量子点有源区包括GaN垒层和位于GaN垒层上的多个周期性结构，所述周期性结构的每个周期包括自下而上的InGaN量子点层、第二InGaN应变减少层和GaN垒层，所述第二InGaN应变减少层为In组分低于所述InGaN量子点层的InGaN单层。
所述InGaN量子点有源区内，周期性结构的数量n为5~10个。
所述InGaN量子点层上的量子点为通过S-K模式生长得到。
所述InGaN量子点层上的量子点为通过V-W模式生长得到。
所述电子阻挡层为P型AlGaN层单层或P型AlGaN/GaN超晶格。
所述LED结构的发光波长为蓝光、绿光到红光范围内的任一波长。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)削弱了量子限制斯塔克效应：本发明通过设置低In组分的第一InGaN应变减少层，起到了虚拟衬底的作用，在第一InGaN应变减少层之上生长的InGaN量子点有源区内应变得到一定缓冲；InGaN量子点有源区内，通过低In组分的第二InGaN应变减少层覆盖InGaN量子点层，由于第二InGaN应变减少层的晶格常数大于GaN垒层，小于InGaN量子点层，缓冲了InGaN量子点层与GaN垒层之间的晶格失配，进一步降低了InGaN量子点内应变，从而降低了由内应变导致的极化电场，削弱了量子限制斯塔克效应；
(2)降低了InGaN量子点内部的缺陷密度：InGaN量子点的内应变是其缺陷密度的最主要决定因素，随着量子点内应变的降低，缺陷密度也随之降低。由于缺陷是非辐射复合中心，故缺陷密度的降低意味着非辐射复合概率的下降；
(3)弥补了InGaN量子点态密度低的缺陷：二维的InGaN薄膜态密度远高于InGaN量子点，本发明中引入的InGaN第二InGaN应变减少层是一层类似InGaN量子阱的二维的InGaN薄膜，可用于俘获并存储载流子；此外，InGaN量子点有源区内，InGaN量子点比第二InGaN应变减少层具有更低的能级，故存储于此InGaN应变减少层中的载流子会迅速输运到量子点中进行辐射复合。这样就形成了量子阱俘获，量子点辐射的二维/零维复合结构，有利于提高LED器件的内量子效率。
附图说明
图1为本发明提出的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构示意图；
图2为本发明实施例中InGaN量子点有源区的结构示意图；
图3为V-W生长模式的示意图；
图4为S-K生长模式的示意图；
图5为本发明实施例制备的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明提供的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，该结构包括由下而上设置的蓝宝石衬底层、GaN低温形核层、U-GaN层、N-GaN层、第一InGaN应变减少层、InGaN量子点有源区、电子阻挡层和P-GaN层，所述第一InGaN应变减少层为In组分低于10%的InGaN单层或InGaN/GaN超晶格。
如图2所示，为本发明中，InGaN量子点有源区的结构示意图。所述InGaN量子点有源区包括GaN垒层和位于GaN垒层上的多个周期性结构，所述周期性结构的每个周期包括自下而上的InGaN量子点层、第二InGaN应变减少层和GaN垒层，所述第二InGaN应变减少层为低In组分的InGaN单层。其中，该周期性结构的周期数n为5~10，但不高于10周期，以避免有源区整体压应变过高发生弛豫。其中，量子点有源区以GaN垒层开始，同样以GaN垒层结束，故GaN垒层数量=InGaN量子点层数量+1。
此外，优选地，在InGaN量子点有源区内，最底层的GaN垒层与最上层的GaN垒层的厚度要大于位于中间层的GaN垒层，例如，最底层和最上层的GaN垒层的厚度为35nm，中间层的GaN垒层厚度为15nm，当然，也可以根据需要设计成为其他的厚度。最底层和最上层的GaN垒层较厚，可以避免N-GaN层与电子阻挡层中的掺杂原子穿透垒层进入有源区。
此外，所述InGaN量子点有源区中，第二InGaN应变减少层为In组分低于所述InGaN量子点层的InGaN单层。此外，第二InGaN应变减少层的In组分高于GaN垒层，使得第二InGaN应变减少层的晶格常数大于GaN垒层，小于InGaN量子点层，缓冲了InGaN量子点层与GaN垒层之间的晶格失配，进一步降低了InGaN量子点内应变，从而降低了由内应变导致的极化电场，削弱了量子限制斯塔克效应。
其中，InGaN量子点层中的InGaN量子点可以是利用V-M生长模式制备的量子点，也可以是利用S-K模式生长的量子点，两种生长模式如图3~4所示。V-W生长模式适用于高In组分的情况，因为高In组分的InGaN层（生长过程中的InGaN量子点层）与GaN之间具有很大的晶格失配度，由于InGaN外延层与GaN基底之间存在很大的晶格失配，基底表面自由能σs小于界面能σi和外延层的表面自由能σf之和，导致生长过程中，InGaN外延层直接进入三维生长模式；S-K模式适用于低In组分的情况，此时，InGaN外延层与GaN基底之间晶格失配度较小，基底表面自由能σs大于界面能σi和外延层的表面自由能σf之和而界面能较小，故外延层首先在基底表面进行二维生长，生长出一层二维浸润层，当外延层超过临界厚度时，界面能σi和外延层的表面自由能σf之和超过基底表面能，生长模式有由二维生长转变为三维生长。通过适当的参数优化，两种生长模式均可以生长出高质量的InGaN量子点。
此外，本发明实施例中，所述电子阻挡层可以为P型AlGaN层单层或P型AlGaN/GaN超晶格。
本发明提供的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，其发光波长可以为蓝光、绿光到红光范围内的任一波长。实际的发光波长可通过改变InGaN量子点的In组分与量子点尺寸来调节。
下面介绍采用金属有机化学气相沉积技术(Metalorganic Chemical VaporDesiposition, MOCVD)来制备本发明的LED外延结构的方法，其中，采用单层InGaN作为第一InGaN应变减少层，Mg掺杂的AlGaN单层作为电子阻挡层，InGaN量子点生长模式采用S-K模式。具体实施步骤如下：
S1、将蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，通入氢气作为载气，升高温度至1125 ºC对衬底表面的氧化层及杂质进行高温清洗；
S2、降低温度至530 ºC，通入氨气，对衬底表面进行氮化5分钟；
S3、通入三甲基镓(TMGa)，生长25nm的GaN低温形核层，完成后切断TMGa供应；
S4、升高温度至1075 ºC对GaN低温形核层进行高温退火，以形成尺寸及分布均匀的GaN形核岛；
S5、降温至1040 ºC，待温度稳定后，通入TMGa，开始U-GaN三维生长阶段，直至GaN合并形成薄膜；
S6、升高温度至1070 ºC，进入U-GaN二维生长阶段，生长2μ维厚的U-GaN；
S7、通入Si掺杂源(硅烷或乙硅烷)生长1μ长厚的N-GaN，完成后停止Si掺杂源及TMGa供应；
S8、降温至850 ºC，同时将载气由氢气切换至氮气，通入三乙基镓(TEGa)与三甲基铟(TMIn)生长第一InGaN应变减少层，完成后切断TMIn的供应；
S9、在同样的生长温度下，生长第一层GaN垒层，厚度35nm，完成后切断TEGa供应；
S10、降温至680 ºC，待温度稳定后，通入TMIn与TEGa，生长S-K模式的InGaN量子点；
S11、同样在680 ºC下，降低TMIn流量，生长InGaN第二InGaN应变减少层，完成后切断TMIn供应；
S12、同样在680 ºC下，生长GaN低温盖层，以避免下一步升温时，InGaN层组分发生不可控的变化，完成后切断TEGa供应；
S13、升温至850 ºC，待温度稳定后，通入TEGa源，生长GaN垒层，厚度15nm，完成后切断TEGa源供应；
S14、重复步骤(10)~(13)，形成具有多个周期性结构的InGaN量子点有源区，并使最上层的GaN垒层生长到15nm后，再继续生长出厚度为20nm的GaN垒层作为GaN隔离层，以阻挡N型及P型电子阻挡层中的掺杂原子穿透垒层进入量子点有源区；
S15、升高温度至940 ºC，同时将载气由氮气切换为氢气，待温度稳定后，通入三甲基铝(TMAl)、TMGa及Mg掺杂源，生长P-AlGaN电子阻挡层，完成后切断TMAl供应；
S16、在同样的温度下，生长P-GaN接触层，通过增加Mg掺杂源的流量来提高掺杂浓度完成后切断TMGa与Mg掺杂源供应；
S17、降低温度至750ºC，切断氨气供应，同时将载气由氢气切换至氮气，退火15分钟，以激活P-GaN中的Mg掺杂原子；
S18、降温至室温，完成生长，得到如图4所示的LED外延结构。
本发明利用InGaN量子点结构替代InGaN/GaN多量子阱作为LED有源区，不仅能够有效解决极化场及高缺陷密度问题，还可以直接移植量子阱LED的芯片工艺。并通过InGaN应变减少层的设置，降低了InGaN量子点层的内应变，为提高GaN基LED内量子效率提供了一种新的方案。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，其特征在于，包括由下而上设置的蓝宝石衬底层、GaN低温形核层、U-GaN层、N-GaN层、第一InGaN应变减少层、InGaN量子点有源区、电子阻挡层和P-GaN层，所述第一InGaN应变减少层为In组分低于10%的InGaN单层或InGaN/GaN超晶格。
2.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，其特征在于，所述InGaN量子点有源区包括GaN垒层和位于GaN垒层上的多个周期性结构，所述周期性结构的每个周期包括自下而上的InGaN量子点层、第二InGaN应变减少层和GaN垒层，所述第二InGaN应变减少层为In组分低于所述InGaN量子点层的InGaN单层。
3.根据权利要求2所述的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，其特征在于，所述InGaN量子点有源区内，周期性结构的数量n为5~10个。
4.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，其特征在于，所述InGaN量子点层上的量子点为通过S-K模式生长得到。
5.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，其特征在于，所述InGaN量子点层上的量子点为通过V-W模式生长得到。
6.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层为P型AlGaN层单层或P型AlGaN/GaN超晶格。
7.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的InGaN量子点LED外延结构，其特征在于，所述LED结构的发光波长为蓝光、绿光到红光范围内的任一波长。
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