CN109461800A - 一种具有应变补偿结构的InGaN量子点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补偿结构的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、含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区、电子阻挡层和P‑GaN层，所述含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，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。通过在InGaN量子点LED外延结构中引入应变补偿结构，本发明带来如下有益效果：(1)消除了多层量子点结构中的应变积累；(2)提高了InGaN量子点生长的可控性。
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补偿结构的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。
GaN基LED中，最成功的蓝光LED内量子效率最高达到90%以上，外量子效率也达到80%。蓝光LED能量转换效率高、能耗低、寿命长，为照明产业带来了一场空前的技术革命，蓝光LED的发明人中村修二、天野浩、赤崎勇三人也因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。
蓝光LED所采用的发光材料为InGaN/GaN多量子阱，其中InGaN层为量子阱层，GaN为垒层。发光波长可通过改变垒层的In组分及厚度来调节。
InGaN材料的发光波长主要取决于其带隙宽度，In组分越高，带隙越窄，波长越长。通过改变In组分，波长在紫外到红外范围内连续可调。但在LED外延结构中，InGaN量子阱中的In组分受到了GaN基底材料的限制。随着In组分的提高，InGaN材料晶格常数增大。当InGaN/GaN多量子阱的发光波长由蓝光波段红移至绿光波段时，In组分达到近30%甚至超过30%，阱层应变过高，导致其内部出现了很高的缺陷密度，严重影响了绿光LED量子效率的提高；此外，高应变导致了强极化电场，使电子与空穴波函数空间分离，大大降低了辐射复合效率。
上述InGaN/GaN量子阱在黄绿光波段缺陷密度及极化电场升高导致量子效率低的问题被称为“Green Gap”。为了解决这个问题，研究人员提出了三种方案：第一种为在非极性或半极性衬底上生长LED外延结构；第二种为采用GaN基纳米棒阵列来制备3D LED；第三种则是利用多层InGaN量子点结构代替InGaN/GaN多量子阱作为黄绿光LED的有源区。对比以上三种方案，方案一虽然能解决极化电场问题，但半极性或非极性衬底的制备技术，以及外延生长技术还不成熟；方案二所采用的GaN基纳米棒阵列，其本身的制备技术尙有待完善，且无相配套的芯片制备方案；相对来说，方案三不仅能够解决高缺陷密度及强极化电场这两个科学问题，且能够直接抑制量子阱LED的芯片制备工艺，是最有可能解决“GreenGap”问题的方案。
为了实现高亮度的InGaN量子点LED，有源区往往采用多层InGaN量子点结构，这种结构同时也存在应变积累的问题，限制了量子点层数的增加。类似的，在InGaN/GaN多量子阱生长过程中，也存在应变积累问题。
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：提供一种一种具有应变补偿结构的InGaN量子点LED外延结构，以解决LED外延结构在黄绿光波段缺陷密度及极化电场升高导致量子效率低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有应变补偿结构的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、含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区、电子阻挡层和P-GaN层，所述含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，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)消除了应变积累，提高了多层InGaN量子点结构的层间一致性：InGaN量子点的形成方式为三维生长，随着层数的增加，InGaN量子点的内应变及缺陷密度也随之增加，量子点尺寸均匀性变差，这就是应变积累效应。本发明采用多层InGaN量子点作为LED有源区，通过在GaN垒层中插入应变补偿层，或直接以应变补偿层代替GaN垒层，由于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量子点层的压应变，隔离了量子点层之间的应变耦合，从而避免了应变向上层传递，消除了应变积累，为提高GaN基LED内量子效率，拓展其发光波长提供了一种切实有效的技术方案。
(2)提高了量子点生长的可控性：无论S-K模式还是V-W模式生长的InGaN量子点，其形成原因均与InGaN层的应变有关，本发明通过在多个InGaN量子点层之间引入应变补偿结构，有利于更好地调控InGaN量子点的内应变，从而更精准地控制InGaN量子点的形成过程。
附图说明
图1为本发明提出的一种具有应变补偿结构的InGaN量子点LED外延结构示意图；
图2为本发明实施例中InGaN量子点有源区的第一种结构示意图；
图3为本发明实施例中InGaN量子点有源区的第二种结构示意图；
图4为V-W生长模式的示意图；
图5为S-K生长模式的示意图。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种具有应变补偿结构的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、含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区、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量子点有源区的第一种结构示意图。所述InGaN量子点有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，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量子点有源区的第二种结构示意图。所述InGaN量子点有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，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。
本发明实施例中，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。通过在应变补偿层中加入Al，可以使应变补偿层的晶格常数小于GaN，起到应变补偿的作用。
此外，优选地，在InGaN量子点有源区内，底垒层与顶垒层的厚度要大于中间垒层，例如，底垒层及顶垒层的厚度为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。
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量子点层的压应变，隔离量子点层之间的应变耦合，从而避免应变向上层传递，消除应变积累。
此外，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4~5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，生长模式又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补偿结构的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，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（底垒层），厚度35nm，完成后切断TEGa供应；
S9、降温至680 ºC，待温度稳定后，通入三甲基铟(TMIn)与TEGa，生长S-K模式的InGaN量子点；
S10、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680 ºC，待温度稳定后，通入三甲基铟(TMIn)与TEGa，生长S-K模式的InGaN量子点；
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；
S16、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，则顶垒层可以作为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；此时形成了具有多个周期性结构的InGaN量子点有源区；
S17、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；
S18、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；
S19、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。
S20、降温至室温，完成生长，得到本发明提供的一种具有应变补偿结构的InGaN量子点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应变补偿层的设置，消除了多层量子点结构中的应变积累，为提高GaN基LED内量子效率，拓展其发光波长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 (9)
1.一种具有应变补偿结构的InGaN量子点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量子点有源区、电子阻挡层和P-GaN层，所述含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，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所述的一种具有应变补偿结构的InGaN量子点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所述的一种具有应变补偿结构的InGaN量子点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所述的一种具有应变补偿结构的InGaN量子点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所述的一种具有应变补偿结构的InGaN量子点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所述的一种具有应变补偿结构的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。
7.根据权利要求1所述的一种具有应变补偿结构的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。
8.根据权利要求1所述的一种具有应变补偿结构的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单层或P型AlGaN/GaN超晶格。
9.根据权利要求1所述的一种具有应变补偿结构的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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