[发明专利]LED的量子阱结构及其生长方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及氮化镓系材料制备技术领域，尤其涉及一种LED的量子阱结构及其生长方法。

 

背景技术

半导体发光二极管（LED）是利用注入的电子空穴在夹于n-型掺杂区和p-型掺杂区的有源区进行辐射复合发光的。电流注入效率越高，电子空穴辐射复合几率越大，半导体发光二极管发光效率就越高。

为了增加电流注入效率和电子空穴辐射复合几率，在现有技术中已经提出多种结构。例如，采用量子阱结构、加入电子或空穴阻挡层以及采用电子俘获发射层等等，这些结构各有其优点，也各有其局限性。

对于量子阱结构，利用不同带隙的材料将电子或空穴限制在一定空间内，可以大大增加其辐射复合几率。但是，在氮化镓基蓝绿光发光二极管中由于极化效应在量子阱中存在很强的电场，使电子和空穴空间分离，导致辐射复合几率显著降低。人们通常采用较窄的量子阱结构来增加电子空穴的辐射复合几率，然而较窄的量子阱结构导致电子和空穴的俘获几率较低，导致发光二极管电流注入效率降低。

对于加入电子阻挡层，虽然可以增加电流注入效率，但作为电子阻挡层的材料一般较难获得且质量较低，可能降低电子空穴辐射复合几率，例如氮化镓基蓝绿光发光二极管中的AlGaN电子阻挡层。

为了增加电子俘获几率而采用的电子俘获发射层，是在n型掺杂层和量子阱有源层之间插入能量带隙比较低的材料，以降低电子的动能，然后通过该层与量子阱之间较薄的势垒隧穿，增加量子阱对电子的俘获机率。其缺点有二，一是该层仅对相邻的量子阱有显著效果，对多个量子阱结构由于势垒较厚，隧穿几率降低，靠后的量子阱不会由于该层的存在而显著增加电子俘获几率；而是该层的存在可能导致量子阱层晶体质量降低，产生V型缺陷，增加漏电流，减少辐射复合几率。

 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种LED的量子阱结构及其生长方法，通过新型量子阱结构，有效地增加有源层中每个量子阱层的电子或空穴的俘获效率。

根据本发明一个方面，提供一种半导体发光二极管量子阱结构，包括：

浅垒层，其材料为氮化镓；

浅阱层，其材料为氮化铟稼合金；

量子垒层，其材料为氮化铟稼合金；和

量子阱层，其材料为氮化铟稼合金。

可选的，所述浅垒层、浅阱层、量子垒层和量子阱层组成的四层结构顺序排列有多个。

可选的，所述顺序排列的四层结构为1-12个。

可选的，浅阱层的组分及厚度设置为使得浅阱层中的电子的能级与量子阱层中的高激发能级共振。

可选的，浅垒层厚度为5-25nm，浅阱层的厚度为1-3nm，量子垒层厚度为1-1.5nm，量子阱层的厚度为1-5nm。

可选的，浅阱层中，铟组分在3%-8%之间；量子垒层中，掺杂铟和铝，铟组分控制在1%-5%，铝组分控制在1%-5%；量子阱层中，铟组分在15%-30%之间。

 

根据本发明另一个方面，提供一种半导体发光二极管量子阱结构的生长方法，包括：

采用一个浅垒层+一个浅阱层+一个量子垒层+一个量子阱层的结构的交替生长，其中，

浅阱层的厚度在1-3nm之间，浅垒层的厚度在5-25nm，生长温度在690-890℃之间，压力在100-600 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间；

量子阱层的厚度在1-5nm之间，生长温度在720-820℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间；

量子垒层厚度在1-1.5nm之间，生长温度在820-920℃之间，压力在100-500 Torr之间，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-5000之间。

可选的，将浅阱层的生长温度控制在低于量子垒层生长温度10摄氏度的范围，从而降低应力。

可选的，在量子垒层中掺杂铟和铝，从而降低结构中的极化效应、提高晶体质量。

可选的，在量子垒层中，铟组分控制在1%-5%，铝组分控制在1%-5%。

 

根据本发明又一个方面，提供一种GaN外延结构，包括：

衬底，GaN缓冲层，N型GaN层，发光层多量子阱，P型GaN层，P型AlGaN层，P型GaN层和P型接触层；

其中，发光层多量子阱为所述的半导体发光二极管量子阱结构。

可选的，所述GaN缓冲层包括两层，分别为低温GaN缓冲层和高温GaN缓冲层。