CN109273566B - 一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及三族氮化物半导体光电子材料领域，提出了一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方第一应变减少层，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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。本发明为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其发光波长范围提供了一种新型的有源区结构。

Description

一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构
技术领域
本发明涉及三族氮化物低维结构领域，特别涉及一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构。
背景技术
以GaN为基础的三族氮化物材料(包括AlN、AlGaN、InN、InGaN、AlGaInN)是继第一代硅锗、第二代砷化镓、磷化铟之后的第三代半导体材料。第一代半导体Si与Ge是现代微电子与集成电路的产业基础；第二代GaAs与InP则是红光、红外、中红外及太赫兹光电子器件(包括激光器、LED、探测器等)的基础材料。三族氮化物(III-N)则覆盖了可见光的紫、蓝、绿、黄光及紫外波段。其中，蓝光与绿光作为三原色，备受研究人员及产业界关注。
GaN基光电子器件的发明始于GaN材料的成功制备与GaN材料空穴传输问题的解决。之后，中村修二将InGaN/GaN量子阱引入LED，制备出第一支高亮度的蓝光LED；很快，中村修二又以InGaN/GaN量子阱为有源区，制备出了第一支半导体蓝光激光器。可以说，InGaN/GaN量子阱有源区是GaN基LED及激光器的核心部分。有源区的性能对器件性能具有决定性的影响。但是，InGaN/GaN量子阱结构本身的物理性质却限制了器件性能的进一步提升。首先，InGaN/GaN量子阱中存在很强的压电极化场，使得量子阱能带倾斜，导致电子与空穴波函数空间分离，降低了电子与空穴的辐射复合效率；第二，由于InGaN与GaN之间的晶格失配，随着In组分的提高，量子阱中压应变迅速增加，导致大量失配位错的产生；第三，InGaN量子阱层的内应力会穿透垒层向上传递，随着InGaN/GaN量子阱周期数的增加，InGaN量子阱的内应力也随之升高，导致了极化效应及位错密度的进一步增加。
为了彻底解决以上问题，研究人员将注意力转向其它低维纳米结构。其中，零维量子点结构被认为是最有可能解决以上问题的纳米结构之一。其优势主要体现在以下几个方面：首先，InGaN量子点的形成过程为三维生长模式，比二维层状生长的量子阱多一个维度来释放应力，故相同发光波长的InGaN量子点的内应变远低于InGaN量子阱，显著降低了极化效应，其次，由于应变的降低，所产生的失配位错密度也随之降低；第三，量子点具有比量子阱更强的局域态效应，能够有效束缚载流子，避免其被非辐射复合中心所俘获。此外，量子点具有比量子阱更低的有效态密度，作为激光器的有源区，能够使激光器的阈值电流显著降低。
InGaN量子点虽然具有先天的结构优势，但也存在更复杂的应变环境，使量子点生长可控性变差。而态密度低虽然可以降低激光器的阈值电流，却也会导致激光器增益不足，以及LED载流子泄漏的问题。
因此，有必要提出一种新型的多层InGaN量子点结构，以解决现有技术中InGaN量子点复杂的应变环境及态密度低的问题。
发明内容
本发明针对InGaN量子点复杂的应变环境及态密度低的缺点，所要解决的技术问题为：提供一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其波长范围提供了一种新型的有源区结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方的第一应变减少层，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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InGaN量子点层为S-K模式生长的InGaN量子点。
所述InGaN量子点层为V-W模式生长的InGaN量子点。
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。
所述一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其发光波长为蓝绿光到红光波段范围内的任一波长。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)量子点比量子阱具有更强的载流子局域效应，增强了对载流子的束缚能力；
(2)降低了InGaN量子点的内应变，削弱了量子限制斯塔克效应的影响：应变减少层的晶格常数介于InGaN量子点层与垒层之间，缓冲了两者之间巨大的压应变，有效地降低了InGaN量子点的内应变，更低的内应变意味着更小的压电极化场，因而能带倾斜程度降低，电子与空穴波函数空间交叠增加，辐射复合效率提高；
(3)降低了InGaN量子点与垒层界面处的位错密度：应变减少层缓冲了InGaN量子点与GaN垒层之间的晶格失配，从而使界面处的失配位错密度降低；
(4)消除了多层结构的应变积累,降低了多层InGaN量子点结构的整体应变量：与InGaN量子点的压应变相反，应变补偿层处于张应变状态，阻挡了压应力透过垒层向上传递，消除了各量子点层之间的应变耦合，提高了InGaN量子点的层间一致性。
附图说明
图1为本发明实施例提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构示意图；
图2为本发明另一实施例提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构示意图；
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为本发明提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构应用在绿光激光器外延结构上时的示意图；
图6为本发明提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构应用在GaN基绿光LED外延结构上时的示意图。
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。
本发明针对InGaN量子点复杂的应变环境及态密度低的问题，在多层InGaN量子点中引入了应变调制结构(包括应变减少结构及应变补偿结构)，提供了一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其波长范围提供了一种新型的有源区结构。
如图1所示，为本发明实施例提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构示意图，如图1所示，该多层InGaN量子点为一种多周期性结构，图中n表示多层InGaN量子点结构的周期数，每个周期由下而上包括InGaN量子点层和第一应变减少层，每个周期性结构之间设置有中间垒层，整个结构的底部和顶部分别设置有底垒层和顶垒层；也就是说，该多层InGaN量子点包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方的第一应变减少层。
其中，本实施例中，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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，具体地，应变补偿层的材料可以为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，或者任意几种的组合。
具体地，所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。
本实施例中，第一应变减少层为In组分的低于10%的InGaN层，其晶格常数介于InGaN量子点层与GaN垒层之间，能够有效缓冲InGaN量子点层与GaN垒层之间的晶格失配，从而降低了InGaN量子点层的内应变。随着内应变的降低，由其导致的压电极化效应也随之减弱；由于第一应变减少层缓冲了量子点层与垒层之间的晶格失配，故量子点/垒界面处的失配位错密度也明显降低；此外，还消除了多层InGaN量子点结构中的应变积累：应变补偿结构处于垒层之中，由于应变补偿层晶格常数小于GaN垒层，处于张应变状态，能够有效隔离各层量子点之间的应变耦合，防止应力向上传递，消除多层量子点结构的应变积累。
如图2所示，为本发明另一实施例提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构示意图，本实施例的结构与前一实施例的区别在于，每个周期性结构之间设置的中间垒层的结构不同，本实施例中，中间垒层除了应变补偿层，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。
其中，本实施例中，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN单层，具体地，应变补偿层的材料可以为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，也可以为这三种材料中任意几种的组合。
具体地，所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。此外，本实施例中，所述顶垒层和底垒层的结构也可以和中间垒层一样，即其可以包括应变补偿层和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。
其中，本发明中，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，本发明实施例提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其发光波长为蓝绿光到红光波段范围内的任一波长，具体可以通过改变量子点中In组分或改变量子点尺寸来实现波长的移动。
本发明所提供的多层InGaN量子点结构可以作为蓝光、绿光、黄光、红光激光器的有源区，波长移动可以通过改变量子点中In组分或改变量子点尺寸来实现。下面以绿光激光器为例来说明本发明所提供的多层量子点结构用作半导体激光器有源区的具体实施方式。所述绿光激光器外延结构如图5所示，由下而上包括：n-GaN衬底、n-GaN缓冲层、n-AlGaN下限制层、n-InGaN下波导层、含有应变调制结构的多层InGaN量子点有源层、p-AlGaN电子阻挡层、p-InGaN上波导层、p-AlGaN上限制层、p-GaN接触层。具体制备流程如下：
(1)将GaN衬底放入MOCVD反应腔，通入氢气作为载气，升高温度至1130ºC对衬底表面的氧化层及杂质进行高温清洗；
(2)降低温度至1070ºC，通入氨气，对衬底表面进行氮化3分钟；
(3)通入三甲基镓(TMGa)及Si掺杂源，生长n-GaN缓冲层，完成后切断TMGa及Si掺杂源供应；
(4)升高温度至1100ºC，通入TMGa、三甲基铝(TMAl)及Si掺杂源，生长n-AlGaN下限制层；
(5)降温至860ºC，同时切换至氢氮混合气氛，待温度稳定后，通入TMGa、三甲基铟(TMIn)及Si掺杂源，生长n-InGaN下波导层，完成后切断TMIn及Si掺杂源供应；
(6)同样温度下，切换至氮气气氛，通入TEGa源，生长GaN底垒层，完成后切断TEGa源供应；
(7)降低温度至680ºC，待温度稳定后，通入TMIn与TEGa，生长InGaN量子点层；
(8)同样在680 ºC下，降低TMIn流量，生长InGaN第一应变减少层，完成后切断TMIn供应；
(9)同样在680 ºC下，生长GaN低温盖层，以避免下一步升温时，InGaN量子点层及应变减少层组分发生不可控的变化，完成后切断TEGa供应；
(10)升温至860ºC，待温度稳定后，通入TEGa源，生长GaN垒层；
(11)同样在860 ºC下，通入TMAl与TEGa源，生长AlGaN应变补偿层，完成后切断TMAl源供应；
(12)同样在860 ºC下，生长GaN垒层，形成GaN/应变补偿层/GaN三明治结构的垒层，完成后切断TEGa源供应；
(13)重复步骤(7)~(12)n次，形成n周期量子点有源区；
(14)升高温度至910ºC，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、TMGa及Mg掺杂源供应；
(15)降低温度至860ºC，切换至氢氮混合气氛，温度稳定后，通入TMGa、TMIn及Mg掺杂源，生长p-InGaN上波导层，完成后切断TMGa、TMIn及Mg掺杂源供应；
(16)升高温度至910 ºC，同时切换至氢气气氛，温度稳定后，通入TMGa、TMAl及Mg掺杂源，生长p-AlGaN上限制层，完成后切断TMAl源供应；
(17)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；
(18)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。
(19)降温至室温，完成生长。
此外，本发明所提供的多层量子点结构还可以用作GaN基LED的有源区，下面以GaN基绿光LED为例来阐述其实施方式。所述GaN基绿光LED外延结构如图6所示，由下而上包括蓝宝石衬底、GaN低温形核层、u-GaN、n-GaN、第二应变减少层、含有应变调制结构的多层InGaN量子点有源区、p-AlGaN电子阻挡层、p-GaN接触层，具体制备流程如下：
(1)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；
(2)降低温度至530 ºC，通入氨气，对衬底表面进行氮化5分钟；
(3)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；
(4)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；
(5)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；
(6)升高温度至1070 ºC，进入u-GaN二维生长阶段，生长2μm厚的u-GaN；
(7)升高温度至1080ºC，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；
(8)降温至860ºC，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)生长第二应变减少层，完成后切断TMIn的供应；
(9)在同样的生长温度下，生长GaN底垒层，厚度35nm，完成后切断TEGa供应；
(10)降温至680 ºC，待温度稳定后，通入TMIn与TEGa，生长InGaN量子点层；
(11)同样在680 ºC下，降低TMIn流量，生长InGaN第一应变减少层，完成后切断TMIn供应；
(12)同样在680 ºC下，生长GaN低温盖层，以避免下一步升温时，InGaN量子点层及应变减少层组分发生不可控的变化，完成后切断TEGa供应；
(13)升温至860ºC，待温度稳定后，通入TEGa源，生长GaN垒层；
(14)同样在860 ºC下，通入三甲基铝(TMAl)与TEGa源，生长AlGaN应变补偿层，完成后切断TMAl源供应；
(15)同样在860 ºC下，生长GaN垒层，形成GaN/应变补偿层/GaN三明治结构的垒层，完成后切断TEGa源供应；
(16)重复步骤(10)~(15)n次，形成n周期量子点有源区；
(17)升高温度至940ºC，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；
(18)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；
(19)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。
(20)降温至室温，完成生长。
本发明针对多层InGaN量子点中复杂的应变环境及态密度低的问题，在多层InGaN量子点中引入了应变调制结构(包括应变减少结构及应变补偿结构)，提供了一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其发光波长范围提供了一种新型的有源区结构。
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的范围。

Claims (7)

1.一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方的第一应变减少层，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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。
2.根据权利要求1所述的一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其特征在于，所述InGaN量子点层为S-K模式生长的InGaN量子点。
3.根据权利要求1所述的一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其特征在于，所述InGaN量子点层为V-W模式生长的InGaN量子点。
4.根据权利要求1所述的一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其特征在于，所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。
6.根据权利要求1所述的一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，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。
7.根据权利要求1所述的一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其特征在于，其发光波长为蓝绿光到红光波段范围内的任一波长。
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