CN109065681A - 一种具有应变减少结构的量子阱绿光led外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体光电子材料领域，提供了一种具有应变减少结构的量子阱绿光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、第一应变减少层、InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和p‑GaN层；所述InGaN/GaN量子阱有源区包括GaN垒层和位于GaN垒层上的周期性结构，所述周期性结构的每个周期包括自下而上的第二应变减少层、InGaN量子阱层、第三应变减少层和GaN垒层；所述第一应变减少层为InGaN单层或InGaN/GaN超晶格，所述第二应变减少层和第三应变减少层的晶格常数小于所述InGaN量子阱层，并大于GaN垒层。本发明减弱了绿光LED量子阱有源区内的极化效应，提高了电子与空穴的辐射复合几率；降低了InGaN/GaN多量子阱有源区内部的缺陷密度，可以应用于绿光LED领域。
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量子阱绿光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。
当今市场上主流白光LED光源主要有两种：一种是以GaN基蓝光LED芯片为基础，在其表面涂覆黄光荧光粉，使蓝光与黄光混合形成白光；另一种是以GaN基紫光LED芯片为基础，结合红、绿、蓝三原色(RGB)荧光粉来实现白光。两种方式各有其优缺点：就功率转换效率而言，蓝光LED芯片+黄光荧光粉所实现的白光LED显然具有更大的优势，这是因为蓝光LED芯片本身具有极高的功率转换效率，目前最高可达到81%，但是紫光LED芯片本身功率转换效率只有不足10%，远远低于蓝光LED芯片，所以紫光LED芯片+RGB荧光粉的功率转换效率也远远低于前者；然而就色彩饱和度及显色指数而言，紫光LED芯片+RGB荧光粉包括了形成白光的红、绿、蓝三原色，色彩饱和度及显色指数明显高于只有蓝光+黄光两种颜色所形成的白光。综上所述，LED芯片+荧光粉技术方案，其功率转换效率与显色指数两者之间互相制约，极大地限制了LED在各领域尤其是户外显示方面的应用。
为了解决以上矛盾，在实现高功率转换效率的同时，获得高显色指数，各大LED厂商及研究机构均致力于RGB三原色LED的研制。所谓的RGB三原色LED是指直接利用红、绿、蓝三色LED组合来发射白光，避免了荧光粉使用中所需的二次能量转换，能够有效地降低能量损耗，同时具有RGB三原色芯片的LED也具有很高的显示指数。在三原色芯片中，红光与蓝光芯片早已成熟并实现大规模生产。红光LED芯片以AlGaInP材料为基础，是最早出现、最早投放市场的LED产品，其功率转换效率目前最高可达到70%；蓝光LED芯片以GaN基材料为基础，出现于上世纪九十年代，是目前白光照明市场上的主流产品，其功率转换效率最高已达到81%。相对于红光与蓝光LED的高功率转换效率，绿光LED的转换效率则远远落后，即所谓的“绿光缺口”(green gap)，造成“绿光缺口”的根本原因在于没有理想的材料系统。用于制备蓝光LED的III-N材料，在波长更长的情况下效率会明显下降；同样用于制备红光LED的III-P材料，在波长缩短至黄绿光范围时效率也会明显降低。
导致绿光LED内量子效率低的主要原因有两点：第一，强极化效应：绿光LED有源区为高In组分的InGaN/GaN多量子阱，失配大，应变高，极化电场强，使得电子和空穴波函数空间分离，辐射复合几率大幅度降低，这种效应也被称为量子限制斯塔克效应；第二，高缺陷密度：高In组分InGaN阱层与GaN垒层晶格失配大，导致InGaN阱层中形成了高密度的缺陷，载流子在缺陷处发生非辐射复合，严重降低了内量子效率。
为了克服InGaN/GaN量子阱结构中存在高缺陷密度及强极化效应的缺点，本发明在绿光LED外延结构中引入应变减少结构，降低了InGaN/GaN多量子阱有源区的内应变，从而降低了有源区中的压电极化电场及缺陷密度。
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量子阱绿光LED外延结构，以解决绿光LED内量子效率低的问题。
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量子阱绿光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、第一应变减少层、InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和p-GaN层；所述InGaN/GaN量子阱有源区包括GaN垒层和位于GaN垒层上的周期性结构，所述周期性结构的每个周期包括自下而上的第二应变减少层、InGaN量子阱层、第三应变减少层和GaN垒层；所述第一应变减少层为InGaN单层或InGaN/GaN超晶格，所述第二应变减少层和第三应变减少层的晶格常数小于所述InGaN量子阱层，并大于GaN垒层。
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。
所述第二应变减少层和第三应变减少层为In组分低于所述InGaN量子阱层的InGaN单层。
所述InGaN/GaN量子阱有源区内，所述周期性结构的周期数n为3~10个。
所述电子阻挡层为p型AlGaN单层或p型AlGaN/GaN超晶格。
所述LED结构的发光波长为绿光到黄绿光波段的任一波长。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
（1）本发明通过在量子阱有源区内的InGaN量子阱层与GaN垒层之间设置第二应变减少层和第三应变减少层，以及在量子阱有源区底部设置第一应变减少层，减弱了绿光LED量子阱有源区内的极化效应，提高了电子与空穴的辐射复合几率。强极化效应来源于高In组分的InGaN量子阱层中的压应变；因此，本发明中第一应变减少层的引入有效降低了InGaN量子阱层的内部压应变，因而压电极化电场减弱，极化效应降低，电子与空穴波函数空间交叠增加，提高了电子与空穴的辐射复合几率；
（2）降低了InGaN/GaN多量子阱有源区内部的缺陷密度：InGaN/GaN多量子阱的缺陷很大一部分是InGaN量子阱层与GaN垒层之间巨大的晶格失配所导致的失配位错，在阱垒界面处插入的第二InGaN应变减少层与第三InGaN应变减少层有效缓冲了阱垒之间的晶格失配，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辐射复合效率的提高。
附图说明
图1为本发明提出的一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构示意图；
图2为本发明实施例中InGaN/GaN多量子阱有源区的结构示意图；
图3为本发明实施例制备的一种具有应变减少结构的量子阱绿光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。
本发明实施例提供了一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构，如图1所示，该LED外沿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、第一应变减少层、InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和p-GaN层。
如图2所示，所述InGaN/GaN量子阱有源区包括GaN垒层和位于GaN垒层上的周期数为n的周期性结构，所述周期性结构的每个周期包括自下而上的第二应变减少层、InGaN量子阱层、第三应变减少层和GaN垒层；所述第一应变减少层为InGaN单层或InGaN/GaN超晶格，所述第二应变减少层和第三应变减少层的晶格常数小于所述InGaN量子阱层，并大于GaN垒层。其中，量子阱有源区以GaN垒层开始，同样以GaN垒层结束，故GaN垒层数量=InGaN量子阱层数量+1。
其中，第二应变减少层与第三应变减少层的In组分高于GaN垒层，使得第二应变减少层与第三应变减少层的晶格常数大于GaN垒层，小于InGaN量子阱层，缓冲了InGaN量子阱层与GaN垒层之间的晶格失配，降低了InGaN/GaN界面处的失配位错密度，同时也降低了InGaN量子阱层的内应变，从而降低了由内应变导致的压电极化电场，减弱了极化效应。此外，第一应变减少层的设置，也可以降低InGaN量子阱层的内应变，进一步减弱了量子阱有源区内的极化效应。
具体地，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，所述第二应变减少层和第三应变减少层为In组分低于所述InGaN量子阱层的InGaN单层。本发明实施例中，应变减少层是通过在生长时减少InGaN单层的In组分来实现减小其晶格常数至GaN垒层与InGaN量子阱层之间的。
此外，所述InGaN/GaN量子阱有源区内，周期性结构的数量n为3~10个。但不高于10周期，以避免有源区整体压应变过高发生弛豫。
此外，优选地，在InGaN/GaN多量子阱有源区内，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，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量子阱绿光LED外延结构，其发光波长可以绿光到黄绿光范围内的任一波长。实际的发光波长可通过改变InGaN量子阱层的In组分与厚度来调节。
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。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2μm厚的u-GaN；
S7、通入Si掺杂源(硅烷或乙硅烷)生长1μm厚的n-GaN，完成后停止Si掺杂源及TMGa供应；
S8、降温至860 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InGaN第一应变减少层，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710ºC，待温度稳定后，通入TMIn与TEGa，生长InGaN第二应变减少层；
S11、同样在710ºC下，提高TMIn流量，生长InGaN量子阱层；
S12、同样在710ºC下，降低TMIn流量，生长InGaN第三应变减少层，完成后切断TMIn供应；
S13、同样在710ºC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；
S14、升温至860 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；
S15、重复步骤(10)~(14)，形成具有周期性结构的InGaN/GaN多量子阱有源区，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InGaN/GaN量子阱有源区；
S16、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；
S17、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；
S18、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。
S19、降温至室温，完成生长，得到如图3所示的LED外延结构。
本发明在InGaN/GaN多量子阱有源区中引入应变减少结构，有效降低了压电极化场强度及缺陷密度，为提高GaN基绿光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 (6)
1.一种具有应变减少结构的量子阱绿光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、第一应变减少层、InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和p-GaN层；所述InGaN/GaN量子阱有源区包括GaN垒层和位于GaN垒层上的周期性结构，所述周期性结构的每个周期包括自下而上的第二应变减少层、InGaN量子阱层、第三应变减少层和GaN垒层；所述第一应变减少层为InGaN单层或InGaN/GaN超晶格，所述第二应变减少层和第三应变减少层的晶格常数小于所述InGaN量子阱层，并大于GaN垒层。
2.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构，其特征在于，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。
3.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构，其特征在于，所述第二应变减少层和第三应变减少层为In组分低于所述InGaN量子阱层的InGaN单层。
4.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构，其特征在于，所述InGaN/GaN量子阱有源区内，所述周期性结构的周期数n为3~10个。
5.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构，其特征在于，所述电子阻挡层为p型AlGaN单层或p型AlGaN/GaN超晶格。
6.根据权利要求1所述的一种具有应变减少结构的量子阱绿光LED外延结构，其特征在于，所述LED结构的发光波长为绿光到黄绿光波段的任一波长。
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