CN109244202A - 一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱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、含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和P‑GaN层，所述含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，所述中间垒层包括应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于GaN的垒层。本发明通过在InGaN/GaN量子阱LED外延结构中引入应变补偿结构，带来如下有益效果：消除了InGaN/GaN多量子阱结构中的应变积累，提高了GaN基量子阱LED的内量子效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子材料领域，特别涉及一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱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，自GaN基LED被发明以来，很快替代了传统的白炽灯、荧光灯等照明光源，为照明产业带来了一场全球范围的技术革命。
GaN基LED的成功始于GaN材料的成功制备。1989年，中村修二利用金属有机化学气相沉积技术(MOCVD)，采用两步法生长方法，在蓝宝石衬底上首先低温生长了一层GaN形核层，然后高温生长出了高质量的GaN单晶材料。类似的，天野浩与赤崎勇两位科学家采用AlN作为低温形核层，生长出了高质量的GaN单晶材料。在解决了GaN材料的制备问题后，研究人员还面临着空穴导电性差的问题。天野浩与赤崎勇两位科学家采用电子束辐照来激活GaN中掺杂的Mg原子，形成了具有高空穴浓度的P型GaN材料。而中村修二则采用了一种更为实用的技术方案，在氮气气氛下对掺杂了Mg原子的GaN材料进行高温退火，成功激活了其中的Mg原子。
在解决了GaN材料与P型GaN材料制备的技术难题之后，中村修二等人很快成功研制出了高亮度的异质结蓝光LED。至此，GaN基LED制备所面临的几个重要瓶颈获得突破，经过若干年的发展，GaN基蓝光LED激发黄光荧光粉所形成的白光LED获得了照明市场的普遍认可，成为继明火、白炽灯、荧光灯之后的第四代照明光源。中村修二等三位科学家也因为发明GaN基LED获得了2014年的诺贝尔物理学奖。
GaN基LED虽然获得了巨大的成功，但InGaN/GaN量子阱有源区本身的固有性质却限制了GaN基LED的进一步发展。在GaN基量子阱LED中，往往采用多周期InGaN/GaN量子阱作为LED的有源区，以提高LED的亮度。然而，随着周期数的增加，InGaN/GaN多量子阱的内应力也随之增加，当应力提高到一定程度，使多量子阱超过临界厚度，InGaN阱层开始通过产生大量缺陷或改变生长模式来释放引力，这种现象被称为应变积累效应。由于应变积累效应所导致的大量缺陷作为非辐射复合中心，会严重影响量子阱有源区的发光效率。生长模式转变会使二维生长的InGaN量子阱转变为三维生长的量子点，量子点虽然有利于提高内量子效率，但在一个量子阱发光为主的体系中，最上层InGaN层转变为量子点对LED的整体发光效率是不利的。
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：提供一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构，以解决现有技术中InGaN/GaN多量子阱的应变积累问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱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、含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和P-GaN层，其中，所述含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，所述中间垒层包括应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于GaN的垒层。
所述中间垒层还包括紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层。
所述应变补偿层的材料为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，或者任意几种的组合。
所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。
所述顶垒层和底垒层包括GaN垒层和设置在GaN垒层中间的应变补偿层。
所述电子阻挡层为P型AlGaN单层或P型AlGaN/GaN超晶格。
所述LED结构的发光波长为蓝光、绿光到黄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：消除了InGaN/GaN多量子阱结构中的应变积累：InGaN量子阱层的晶格常数大于GaN垒层，处于压应变状态，且压应变会穿透GaN垒层影响上层的量子阱层，随着层数的增加，InGaN量子阱的内应变及缺陷密度会随之增加，InGaN/GaN界面质量变差，这就是应变积累效应。应变补偿层的晶格常数小于GaN垒层，处于张应变状态，补偿了InGaN量子阱层的压应变，隔离了量子阱层之间的应变耦合，从而避免了应变向上层传递，消除了应变积累。因此，本发明提供的一种含有应变补偿结构的GaN基LED外延结构，应变补偿结构能够消除应力积累带来的影响，为提高GaN基LED亮度提供了一种新的有源区结构。
附图说明
图1为本发明提出的一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构示意图；
图2为本发明实施例中InGaN/GaN量子阱有源区的第一种结构示意图；
图3为本发明实施例中InGaN/GaN量子阱有源区的第二种结构示意图。
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含有应变补偿结构的GaN基量子阱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、含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和P-GaN层。
如图2所示，为本发明中，含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区的第一种结构示意图。所述InGaN/GaN量子阱有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，所述中间垒层为应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于GaN的垒层。
如图3所示，为本发明中，含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区的第二种结构示意图。所述InGaN/GaN量子阱有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，所述中间垒层包括应变补偿层，以及紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层，所述应变补偿层为晶格常数小于GaN的垒层。
此外，优选地，在InGaN/GaN量子阱有源区内，底垒层与顶垒层的厚度要大于中间垒层，例如，最底层和最上层的GaN垒层的厚度为35nm，中间垒层厚度为15nm，当中间垒层为应变补偿层时，其厚度为15nm，当中间垒层包括应变补偿层，以及紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层时，可以为应变补偿层、GaN上垒层和GaN下垒层各5nm，或者，也可以为应变补偿层稍厚一些，GaN上垒层和GaN下垒层稍薄一些，但总厚度保持为15nm。当然，也可以根据需要设计成为其他的厚度。底垒层及顶垒层较厚，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。
其中，所述应变补偿层的材料为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，或者任意几种的组合。通过掺入Al，可以使应变补偿层的晶格常数小于GaN。
此外，本实施例中，所述顶垒层和底垒层可以为GaN垒层。另外，本实施例中，所述顶垒层和底垒层也可以和中间垒层的结构相同，也就是说，顶垒层和底垒层也可以包括GaN垒层和设置在GaN垒层中间的应变补偿层。通过在顶垒层和底垒层内设置应变补偿层，可以进一步补偿InGaN量子阱层的压应变，隔离量子阱层之间的应变耦合，从而避免应变向上层传递，消除应变积累。
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。
本发明提供的一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱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/GaN量子阱的In组分与阱宽来调节。
下面以GaN基绿光量子阱LED为例，介绍采用金属有机化学气相沉积技术(MetalorganicChemical Vapor Desiposition, MOCVD)来制备本发明的LED外延结构的方法，其中，采用单层AlGaN作为应变补偿层，中间垒层包括GaN垒层和设置在GaN垒层中间的应变补偿层，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850 ºC，同时将载气由氢气切换至氮气，通入三乙基镓(TEGa)，生长第一层GaN垒层，厚度35nm，完成后切断TEGa供应；
S9、降温至700ºC，待温度稳定后，通入三甲基铟(TMIn)与TEGa，生长InGaN量子阱层；
S10、同样在700ºC下，生长GaN低温盖层，以避免下一步升温时，InGaN量子阱层组分发生不可控的变化，完成后切断TEGa供应；
S11、升温至850 ºC，待温度稳定后，通入TEGa源，生长GaN下垒层；
S12、同样温度下，通入三甲基铝(TMAl)，生长AlGaN应变补偿层，完成后切断TMAl源供应；
S13、同样温度下，生长GaN上垒层，完成后切断TEGa源供应；
S14、降温至700ºC，待温度稳定后，通入三甲基铟(TMIn)与TEGa，生长InGaN量子阱层；
S15、重复步骤(10)~(14)，直至生长出的InGaN量子阱层数量满足设计要求，然后升温至850 ºC，待温度稳定后，通入TEGa源，在最上层的InGaN量子阱上生长GaN顶垒层，其中，顶垒层的厚度可以为35nm进而顶垒层可以作为GaN隔离层，以阻挡P型电子阻挡层中的掺杂原子穿透垒层进入有源区；
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。
本发明利用InGaN/GaN多量子阱结构的GaN垒层中插入了应变补偿层，消除了多量子阱结构中的应变积累，为降低有源区内应变及缺陷密度，提高GaN基LED内量子效率提供了一种切实有效的方案。
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)
1.一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构，其特征在于，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、含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区、电子阻挡层和P-GaN层，其中，所述含有应变补偿结构的InGaN/GaN量子阱有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，所述中间垒层包括应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于GaN的垒层。
2.根据权利要求1所述的一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构，其特征在于，所述中间垒层还包括紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层。
3.根据权利要求1所述的一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构，其特征在于，所述应变补偿层的材料为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，或者任意几种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构，其特征在于，所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。
5.根据权利要求1所述的一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构，其特征在于，所述顶垒层和底垒层包括GaN垒层和设置在GaN垒层中间的应变补偿层。
6.根据权利要求1所述的一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱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。
7.根据权利要求1所述的一种含有应变补偿结构的GaN基量子阱LED外延结构，其特征在于，所述LED结构的发光波长为蓝光、绿光到黄光范围内的任一波长。
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