CN209104183U

CN209104183U - 一种高性能的绿光二极管多量子阱结构

Info

Publication number: CN209104183U
Application number: CN201822229412.9U
Authority: CN
Inventors: 董海亮; 许并社; 贾伟; 张爱琴; 屈凯; 李天保; 梁建
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2019-07-12
Anticipated expiration: 2028-12-28

Abstract

本实用新型一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，属于半导体材料技术领域；所要解决的技术问题是提供了一种晶体质量好、载流子复合几率大、量子发光效率高的势垒内梯度硅掺杂的多量子阱结构；技术方案为：其结构沿生长方向依次为：第一Si渐变掺杂的GaN垒层和多组依次叠置的结构单元，单组结构单元沿生长方向由一个In组分固定的InGaN量子阱层和一个Si渐变掺杂的GaN垒层组成，第一Si渐变掺杂的GaN垒层中Si的掺杂浓度沿生长方向线性递减，单组结构单元中的Si渐变掺杂的GaN垒层中，Si的掺杂浓度沿生长方向线性递减。

Description

一种高性能的绿光二极管多量子阱结构

技术领域

本实用新型一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，属于半导体材料技术领域。

背景技术

InGaN绿光LED中In组分可达30%左右，在量子阱内会产生很大压电极化效应。目前常规方法有垒层掺硅、或者是垒层梯度掺硅（从底部第一个垒向上掺杂浓度逐渐降低），这些方法在一定程度上也能改善量子阱的极化效应，降低绿光LED的工作电压。但对降低量子阱中阱/垒界面的位错密度的效果并不明显，多量子阱载流子的复合几率低，发光效率不高，势垒层的掺杂浓度过高会导致势垒层的晶体质量变差。

实用新型内容

本实用新型一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，克服了现有技术存在的不足，提供了一种晶体质量好、载流子复合几率大、量子发光效率高的势垒内梯度硅掺杂的多量子阱结构。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，其结构沿生长方向依次为：第一Si渐变掺杂的GaN垒层和多组依次叠置的结构单元，单组结构单元沿生长方向由一个In组分固定的InGaN量子阱层和一个Si渐变掺杂的GaN垒层组成，第一Si渐变掺杂的GaN垒层中Si的掺杂浓度沿生长方向线性递减，单组结构单元中的Si渐变掺杂的GaN垒层中，Si的掺杂浓度沿生长方向线性递减。

进一步，所述第一Si渐变掺杂的GaN垒层中Si的掺杂浓度沿生长方向，从1×10¹⁹cm^-3线性递减至1×10¹⁷cm^-3。

进一步，所述第一Si渐变掺杂的GaN垒层的厚度为50nm。

进一步，所述结构单元的数量为3-10组。

进一步，所述In组分固定的InGaN量子阱层的厚度为4nm。

进一步，所述结构单元中的Si渐变掺杂的GaN垒层,Si的初始掺杂浓度沿生长方向，从5×10¹⁸cm^-3线性递减至1×10¹⁶cm^-3，Si的结束掺杂浓度沿生长方向，从1×10¹⁷cm^-3线性递减至1×10¹⁶cm^-3。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

本实用新型采用势垒内梯度硅掺杂的结构不仅能降低量子阱区的极化效应，还能够降低阱垒界面的位错密度。在长完InGaN阱层后，继续生长GaN垒层会有大量的位错向上攀移，这时开始生长垒层时先采用高浓度的硅掺杂，Si原子可与位错线附件的断键结合，改变位错线的方向，从而抑制位错线向上攀移，从而减少了位错密度。随着垒层厚度的增加，位错密度会逐渐降低，这时可降低硅掺杂浓度避免晶体质量恶化。随着垒层数量的增加，垒层开始生长的硅浓度可逐渐降低。垒层内梯度硅掺杂的结构不仅降低量子阱中的极化效应，而且还能提高量子阱的晶体质量，从而实现提高内量子效率的目的。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种高性能的绿光二极管的结构示意图。

图2为本实用新型提供的一种高性能的绿光二极管多量子阱结构示意图。

图中，1-衬底，2-GaN 成核层，3-高温未掺杂的u-GaN层，4-Si 掺杂的n-GaN 层，5-多量子阱结构，6-p-InAIGaN电子阻挡层，7-Mg掺杂的p-GaN层，51-第一Si渐变掺杂的GaN垒层，52-结构单元，521-In组分固定的InGaN量子阱层，522-Si渐变掺杂的GaN垒层。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示，本实用新型提供一种高性能的绿光二极管多量子阱结构的实施例，其结构沿生长方向依次为：第一Si渐变掺杂的GaN垒层51和3个依次叠置的结构单元52，单组结构单元52沿生长方向由一个In组分固定的InGaN量子阱层521和一个Si渐变掺杂的GaN垒层522组成，第一Si渐变掺杂的GaN垒层51中Si的掺杂浓度沿生长方向线性递减，单组结构单元52中的Si渐变掺杂的GaN垒层522中，Si的掺杂浓度沿生长方向线性递减。

第一Si渐变掺杂的GaN垒层51中Si的掺杂浓度沿生长方向，从1×10¹⁹cm^-3线性递减至1×10¹⁷cm^-3。第一Si渐变掺杂的GaN垒层51的厚度为50nm。In组分固定的InGaN量子阱层521的厚度为4nm。

结构单元52中的Si渐变掺杂的GaN垒层522,Si的初始掺杂浓度沿生长方向，从5×10¹⁸cm^-3线性递减至1×10¹⁶cm^-3，Si的结束掺杂浓度沿生长方向，从1×10¹⁷cm^-3线性递减至1×10¹⁶cm^-3。

本实用新型提供上述的一种高性能的绿光二极管多量子阱结构的制备方法，包括以下步骤：

S1.采用三乙基镓为镓源， NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄作为掺杂源，生长温度为840℃，在开始生长GaN垒层时SiH₄流量为200 sccm，掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3，结束GaN垒层生长时SiH₄流量为5 sccm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，呈线性渐变，生长时间为1000 s，反应室压力为400 mbar，即得到生长厚度为50 nm的渐变掺杂第一Si渐变掺杂的GaN垒层51；

S2.以三乙基镓为镓源，TMln 为铟源，NH₃为氮源，N₂为载气，在温度为740 ℃、反应室压力为400 mbar，生长时间为300 s，即在得到生长厚度为4 nm的渐变掺杂结构单元52中的In组分固定的InGaN量子阱层521；

S3.采用三乙基镓为镓源， NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄作为掺杂源，生长温度为840℃，在开始生长GaN垒层时SiH₄流量为150 sccm，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，结束GaN垒层生长时SiH₄流量为5 sccm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3，呈线性渐变，生长时间为350 s，即得到渐变掺杂结构单元52中的Si渐变掺杂的GaN垒层522；

S4.重复步骤S2的操作；

S5.采用三乙基镓为镓源， NH₃为氮源，N₂为载气，SiH₄作为掺杂源，生长温度为840℃，在开始生长GaN垒层时SiH₄流量相比上一次生长的GaN垒层的SiH₄流量递减，最低SiH₄流量为5 sccm，初始掺杂浓度相比上一次生长的GaN垒层的初始掺杂浓度线性递减，最低掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，结束GaN垒层生长时SiH₄流量为5 sccm，结束掺杂浓度相比上一次生长的GaN垒层的初始掺杂浓度线性递减,最低掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3，生长时间为350 s；

S6.重复步骤S4和S5，继续生长2个渐变掺杂的结构单元52。

如图2所示，本实用新型还提供一种高性能的绿光二极管的结构，结构沿生长方向依次为衬底1、GaN 成核层2、高温未掺杂的u-GaN层3、Si 掺杂的n-GaN 层4、上述的多量子阱结构5， p-InAIGaN电子阻挡层6和Mg掺杂的p-GaN层7。本实用新型还提供一种高性能的绿光二极管的制备方法，步骤包括上述的多量子阱结构5的制备方法的步骤，还包括以下步骤：

（1）图形化蓝宝石衬底表面高温清洗处理:在1070 ℃温度下，H₂气氛中还原处理300 s ，然后对其表面进行氮化处理；

（2）采用三甲基镓作为镓源，NH₃作为氮源，H₂作为载气，生长温度为550℃，时间为150 s ，反应室压力为600 mbar，退火温度为1040 ℃，时间为200 s，即在图形化蓝宝石衬底上生长厚度为25 nm 的GaN 成核层2；

（3）采用三甲基镓作为镓源， NH₃作为氮源， H₂作为载气，生长温度为1060 ℃，生长时间为3600 s，反应室压力为600 mbar，即在GaN 成核层2土生长厚度为2μm 的高温未掺杂的u-GaN层3。

（4）采用三甲基镓作为镓源，SiH₄作为硅源， NH₃作为氮源， H₂作为载气，生长温度为1065 ℃，生长时间为1800 s，反应室压力为600 mbar ，即在高温未掺杂的u-GaN 层3上生长厚度为1μm 的Si 掺杂的n-GaN 层4。

（5）采用三甲基镓为镓源，三甲基铝为铝源，三甲基铟为铟源，二茂镁为镁源，对多量子阱结构5最上层的GaN垒层实现p型掺杂，NH₃作为氮源，N₂为载气，生长温度为920℃，生长时间为300 s，反应压力为200 mbar，即厚度为50 nm的p-InAIGaN电子阻挡层 6。

（6）采用三甲基镓为镓源，二茂镁为镁源，NH₃作为氮源，氮气为载气，生长温度为960 ℃，生长时间为3000s，反应室压力为200 mbar ，即在p-InAIGaN电子阻挡层6上生长厚度为250nm的Mg掺杂的p-GaN层 7，之后在650℃的温度下，N₂气氛中退火900 s，然后降至室温，即得到势垒内梯度掺杂的InGaN基多量子阱的绿光二极管结构。

影响GaN基绿光二极管内量子效率的主要因素有压电极化效应和阱垒界面质量。首先，由于InGaN量子阱中存在极化效应，尤其在高In组分的绿光波段，产生的极化电场导致多量子阱中能带弯曲，导带在p 型一侧较低， n型一侧被抬高，从而多量子阱的带边由方形改变为三角形，导带的基带能量降低，价带的基带能量升高，使两者之间的间隙宽度变窄，导致发光波长红移，进一步影响发光效率。同时，能带的倾斜也会使载流子易越过势垒，导致载流子的泄漏。因此，InGaN绿光量子阱的极化效应影响绿光二极管光电性能的主要因素之一。其次，量子阱中阱垒的界面质量也严重影响着内量子效率的提高。生长完高In组分InGaN阱层时，阱垒材料存在较大的晶格失配度，会在阱/垒界面处会产生大量的单原子或多原子刃型位错，从而降低了电子的输运能力，从而会增加量子阱区非辐射复合几率，从而降低内量子效率。生长GaN垒层采用硅原子掺杂，可使位错线发生弯曲，从而抑制位错线继续向上攀移，提高阱垒界面的晶体质量。

本实用新型采用势垒内梯度掺杂有利于降低量子阱的极化效应，垒层内硅梯度掺杂能降低量子阱内的位错密度，从而大大提高绿光二极管量子阱的内量子效率，同时，也降低载流子的泄漏，从而提高绿光二极管的光电性能。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本实用新型，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims

1.一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，其特征在于：其结构沿生长方向依次为：第一Si渐变掺杂的GaN垒层（51）和多组依次叠置的结构单元（52），单组结构单元（52）沿生长方向由一个In组分固定的InGaN量子阱层（521）和一个Si渐变掺杂的GaN垒层（522）组成，第一Si渐变掺杂的GaN垒层（51）中Si的掺杂浓度沿生长方向线性递减，单组结构单元（52）中的Si渐变掺杂的GaN垒层（522）中，Si的掺杂浓度沿生长方向线性递减。

2.根据权利要求1所述的一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，其特征在于：所述第一Si渐变掺杂的GaN垒层（51）中Si的掺杂浓度沿生长方向，从1×10¹⁹cm^-3线性递减至1×10¹⁷cm^-3。

3.根据权利要求1所述的一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，其特征在于：所述第一Si渐变掺杂的GaN垒层（51）的厚度为50nm。

4.根据权利要求1所述的一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，其特征在于：所述结构单元（52）的数量为3-10组。

5.根据权利要求1所述的一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，其特征在于：所述In组分固定的InGaN量子阱层（521）的厚度为4nm。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种高性能的绿光二极管多量子阱结构，其特征在于：所述结构单元（52）中的Si渐变掺杂的GaN垒层（522）,Si的初始掺杂浓度沿生长方向，从5×10¹⁸cm^-3线性递减至1×10¹⁶cm^-3，Si的结束掺杂浓度沿生长方向，从1×10¹⁷cm^-3线性递减至1×10¹⁶cm^-3。