CN218677183U - 一种多量子阱结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种多量子阱结构。所述结构包括交替设置的量子垒层和量子阱层，所述多量子阱结构还包括设置在量子垒层中的第一应力调制层和量子阱层中的第二应力调制层中的至少一个，所述第一和第二应力调制层的晶格常数介于量子阱与量子垒层之间，用以降低多量子阱结构的内部应力。本实用新型降低多量子阱结构的内部应力，提高载流子的复合效率，降低了辐射复合效率下降和波长漂移现象；而且由于降低了氮化物发光层的应力，提高了氮化物发光层中的组分和厚度的均匀性，可适用于长波外延工艺结构，扩大了氮化物发光层外延生长工艺窗口。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体材料领域，尤其涉及一种多量子阱结构。
背景技术
GaN基半导体材料具有高禁带宽度、高临界击穿电场、高载流子饱和迁移速度以及高热导率和直接带隙等特点，在高温、高频、大功率微电子器件以及高性能光电子器件领域具有很大的应用前景。
氮化物光电器件应用中常用多量子阱结构作为有源层对载流子进行限制，电子空穴对在多量子阱中通过电子跃迁通道发光。电子跃迁后实现从电能向光能的转换。因此，如何优化多量子阱结构以提高发光效率，是现有技术一直在寻求解决的技术问题。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种多量子阱结构，通过优化多量子阱结构以提高发光效率。
为了解决上述问题，本实用新型提供了一种多量子阱结构，包括交替设置的量子垒层和量子阱层，所述多量子阱结构还包括设置在量子垒层中的第一应力调制层和量子阱层中的第二应力调制层中的至少一个，所述第一和第二应力调制层的晶格常数介于量子阱与量子垒层之间，用以降低多量子阱结构的内部应力，提高载流子的复合效率。本实用新型降低多量子阱结构的内部应力，提高载流子的复合效率，降低了辐射复合效率下降和波长漂移现象；而且由于降低了氮化物发光层的应力，提高了氮化物发光层中的组分和厚度的均匀性，可适用于长波外延工艺结构，扩大了氮化物发光层外延生长工艺窗口。
附图说明
附图1所示是本实用新型所述多量子阱结构具体实施方式的生长方法实施步骤示意图。
附图2A至附图2D所示是本实用新型所述多量子阱结构具体实施方式的生长方法工艺示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型提供的多量子阱结构的具体实施方式做详细说明。
附图1所示是本实用新型所述多量子阱结构具体实施方式的生长方法的实施步骤示意图，包括：步骤S10，提供一衬底；步骤S11，生长量子垒层以及第一应力调制层；步骤S12，生长量子阱层以及第二应力调制层；其中步骤S11和步骤S12交替实施。
附图2A所示，参考步骤S10，提供一衬底20。所述衬底的材料例如可以是蓝宝石或者单晶硅。也可以是其他的用于生长化合物半导体的SiC、GaAs以及GaN等常见的半导体衬底材料。
附图2B所示，参考步骤S11，生长量子垒层21以及第一应力调制层211。在本具体实施方式中，进一步是在温度750～950℃、压力200～400torr条件下，生长厚度为6～15nm的氮化物量子垒层21。本步骤进一步包括了在量子垒层21生长完毕后生长第一应力调制层211的步骤。具体步骤例如可以是：生长量子垒层21；继续交替生长第一应力调制层211和量子垒工艺层212至预定厚度。第一应力调制层211与量子垒工艺层212的厚度比例范围是1：2至1：15，并优选为1：1。且量子垒工艺层212总厚度不超过氮化物量子垒层21厚度。
量子垒层21为GaN材料的具体实施方式中，第一应力调制层211的材料可以选择为MgNx，其中x的值可选为2/3。所述量子垒工艺层212的材质与所述量子垒层的材质相同。MgNx为本征层，即MgNx层不含多余的Mg杂质掺杂，不存在Mg原子向后续生长的量子阱扩散的问题，避免了量子阱层杂质原子的引入造成的晶体质量下降导致的量子效率衰减。MgNx材料生长氛围为N2，可以使Mg原子在二维平面内扩散延伸，避免了Mg-N原子键分解，可以在平面内获得均匀分布高表面平整度的应力调制层，不会因MgNx应力调制层的引入降低量子垒的表面性能，进而不会影响量子阱层和量子垒层的界面特性。
量子垒工艺层212是多层堆叠结构，且总厚度不大于未设置第一应力调整层211的量子垒层21的厚度。在其他的具体实施方式中，也可以是先生长一部分的量子垒层21，再交替生长第一应力调制层211和量子垒工艺层212。在每个交替生长周期内，量子垒工艺层212的总厚度不大于量子垒层21的厚度，上述厚度设置的优点在于，通过设定特定厚度的量子垒层厚度21，保证了氮化物量子垒层的表面平整度，不会因量子垒层21厚度太薄，导致继续生长的结构层不平整。
附图2C所示，参考步骤S12，生长量子阱层22以及第二应力调制层221。在本具体实施方式中，进一步是在温度700～900℃、压力200～400torr条件下，生长厚度1～6nm的氮化物量子阱层22。本步骤进一步包括了在量子阱层22生长完毕后继续生长第二应力调制层221的步骤。
具体步骤例如可以是：生长的量子阱层22；继续交替生长第二应力调制层221和量子阱工艺层222至预定厚度。第二应力调制层221与量子阱工艺层222的厚度比例范围是1：2至1：6，并优选为1：1。且量子阱工艺层222总厚度不超过氮化物量子阱层22厚度。
量子阱层22为InGaN材料的具体实施方式中，第二应力调制层211的材料可以选择为SiNy，其中y的值可选为3/4。所述量子阱工艺层的材质与所述量子阱层的材质相同。所述SiNx为本征层，即SiNx层不含多余的Si杂质掺杂，不存在Si原子向InGaN量子阱扩散，避免了InGaN量子阱层杂质原子的引入造成的晶体质量下降导致的量子效率衰减。SiNx材料生长氛围为N2，可以使Si原子在二维平面内扩散延伸，避免了Si-N原子键分解，可以在平面内获得均匀分布高表面平整度的应力调制层，不会因SIN应力调制层的引入降低量子垒的表面性能，进而不会影响量子阱层和量子垒层的界面特性。
量子阱工艺层222是多层堆叠结构，且总厚度不大于未设置第二应力调整层221的量子垒层21的厚度。在其他的具体实施方式中，也可以是先生长一部分的量子阱层22，再交替生长第二应力调整层221和量子阱工艺层222。上述厚度设置的优点在于，通过设定特定厚度的量子阱层厚度22，保证了氮化物量子阱层的表面平整度，不会因量子阱层厚度太薄，导致继续生长的结构层不平整。
在本实用新型的一个具体实施方式中，所述量子阱层的材料为InGaN，当InGaN材料中In相对于Ga的组分比例为0～0.3时，第二应力调制层与所述量子阱工艺层的厚度比为1:4至1:6；当InGaN材料中In相对于Ga的组分比例组分为0.3～1时，第二应力调制层与所述量子阱工艺层222的厚度比为1:2至1:4。以上相对低的厚度比例，可以使得量子阱结构具有高的发光效率，同时保持相对低的电压性能，而当厚度比例继续降低，应力调制作用不充分，而当厚度比例偏高，额外增加了多量子阱结构的串联电阻，都无法同时获得高的发光效率和低的电压性能的量子阱结构。
附图2D所示，将以上步骤S11和步骤S12交替实施，以获得多层堆叠的发光结构。在交替实施的量子垒层的生长步骤和量子阱层的生长步骤中，至少一个生长量子垒层或量子阱层的步骤中应当包括生长应力调制层的步骤，并优选为在所有的生长量子垒层或量子阱层的步骤都包括生长多层的应力调制层的步骤。所述应力调制层的晶格常数介于量子阱与量子垒层之间，用以降低多量子阱结构的内部应力，提高载流子的复合效率。
上述步骤实施完毕后所获得多结构如附图2D所示，包括交替设置的量子垒层21和量子阱层22，以及在量子垒层21中的第一应力调制层211和量子阱层22中的第二应力调制层221中的至少一个，所述第一和第二应力调制层的晶格常数介于量子阱与量子垒层之间，用以降低多量子阱结构的内部应力，提高载流子的复合效率。
例如在所述多量子阱结构为GaN/InGaN的情况下，GaN量子垒层中的应力调制层为MgNx，InGaN量子阱层中的应力调制层材料为SiNy。利用原子半径差异(Mg＞Ga＞Si)，在氮化物量子垒层中引入MgNx可以调整氮化物量子垒层的晶格常数向氮化物量子阱靠近，在氮化物量子阱层中引入SiNx可以调整氮化物量子阱层的晶格常数向氮化物量子垒靠近，可以降低氮化物量子垒和氮化物量子阱晶格差异，降低了量子阱层和量子垒层之间的极化效应，降低多量子阱结构的能带发生倾斜，降低了辐射复合效率下降，降低了波长漂移现象；而且由于降低了氮化物发光层的应力，提高了氮化物发光层中的组分和厚度的均匀性，可适用于长波外延工艺结构，扩大了氮化物发光层外延生长工艺窗口。
此外，MgNx和SiNy中的Mg原子和Si原子，在生长时可填充材料内部缺陷和位错，从而提高生长质量，提高电子和空穴的复合效率。
量子阱层和量子垒层之间较大的极化效应，多量子阱结构的能带发生倾斜，造成电子和空穴在空间分离，导致辐射复合效率下降，并出现随着注入电流变化出现波长漂移现象；而且由于量子阱层中较大的应力，影响了量子阱层组分和厚度的均匀性，最终导致光电器件性能受到严重影响，综上，降低量子阱发光层应力对于光电器件发光效率的提升有着重要意义。
以下给出本实用新型的一个实施例。
生长6nm的GaN量子垒层，生长温度760℃、压力300torr；
生长1nm的GaN量子垒工艺层；
生长1nm的MgNx调制层；
周期性重复循环交替生长6次GaN量子垒工艺层和MgNx调制层，MgNx调制层厚度与GaN量子垒工艺层厚度比1：1；
生长1.5nm的InGaN量子阱层，生长温度820℃、压力300torr；
生长0.5nm的InGaN量子阱工艺层；
生长0.5nm的SiNx调制层；
周期性重复循环交替生长3次InGaN量子阱工艺层和SiNx调制层，SiNx调制层厚度与InGaN量子垒工艺层厚度比1：1。
以上所有步骤周期性重复循环6次。
通过对上述多量子阱结构进行光致发光(PL)测试发现相比常规结构，本实用新型发光强度可以提升35％以上，波长std降低到1nm以下，拉曼测试应力降低40％以上，同时由于量子阱应力降低，可以提高量子阱层中的In分布，可以在较高的温度下实现高In组分量子阱生长，提高了高In组分量子阱生长质量，可适用于长波外延工艺结构，扩大了氮化物发光层外延生长工艺窗口。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种多量子阱结构，包括交替设置的量子垒层和量子阱层，其特征在于：所述多量子阱结构还包括设置在量子垒层中的第一应力调制层和量子阱层中的第二应力调制层中的至少一个，所述第一应力调制层和第二应力调制层的晶格常数介于量子阱与量子垒层之间，用以降低多量子阱结构的内部应力。
2.根据权利要求1所述的多量子阱结构，其特征在于，所述多量子阱结构还包括设置在所述第一应力调制层之间的量子垒工艺层。
3.根据权利要求2所述的多量子阱结构，其特征在于，在每层所述量子垒层中，所述第一应力调制层的厚度与所述量子垒工艺层的厚度比例范围是1：2至1：15。
4.根据权利要求2所述的多量子阱结构，其特征在于，所述量子垒工艺层和所述第一应力调制层交替循环，交替循环后的全部所述量子垒工艺层的总厚度不大于所述量子垒层的厚度。
5.根据权利要求1所述的多量子阱结构，其特征在于，所述多量子阱结构还包括设置在所述第二应力调制层之间的量子阱工艺层。
6.根据权利要求5所述的多量子阱结构，其特征在于，在每层所述量子阱层中，所述第一应力调制层的厚度与所述量子阱工艺层的厚度比例范围是1：2至1：6。
7.根据权利要求5所述的多量子阱结构，其特征在于，所述量子阱工艺层和所述第二应力调制层交替循，交替循环后的全部所述量子阱工艺层的总厚度不大于所述量子阱层的厚度。
8.根据权利要求5所述的多量子阱结构，其特征在于，所述量子阱层的材料为InGaN，第二应力调制层与所述量子阱工艺层的厚度比为1:4至1:6。
9.根据权利要求5所述的多量子阱结构，其特征在于，所述量子垒层材料为GaN，所述第一应力调制层为MgNx；所述量子阱层材料为InGaN，所述第二应力调制层材料为SiNy。
10.根据权利要求9所述的多量子阱结构，其特征在于，第二应力调制层与所
述量子阱工艺层的厚度比为1:2至1:4。
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