[发明专利]一种量子阱结构、一种LED外延结构及其生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够降低外延片内应力的量子阱结构、LED外延结构及其生长方法，属于LED外延生长技术领域。

背景技术

以GaN为基础的发光二极管(LED)作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，正在迅速被广泛地应用于交通信号灯、手机背光源、户外全彩显示屏、城市景观照明、汽车内外灯、隧道灯等领域。因此LED的各方面性能提升都被业界重点关注，作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力，并且逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面也有着广泛的应用和巨大的市场前景。

外延结构的生长是LED芯片的关键技术，而如何能降低内应力、提高发光效率，是外延结构生长的一个技术难题。在GaN基LED外延层制备方面，量子阱的特性是影响LED内应力和光学性能的一个重要因素，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，LED发光效率越高。根据理论分析：垒层掺In与常规量子阱结构的能带图相比，由能带理论分析得到垒层掺In使量子阱的能带弯曲减少、量子限制斯塔克效应减弱、电子阻挡层的电子阻挡效率提高、量子阱的空穴注入效率增加、电子与空穴的空间波函数交叠增加等，这些都对LED发光效率提高起到积极的作用。经过试验表明，使用InGaN材料来生长量子垒结构，有源区材料界面质量明显得到改善，样品中V坑的数目及相应的错位减少，并且利用InGaN做垒的样品光致发光的峰值强度增强、峰位蓝移，InGaN垒样品的droop现象得到较大的改善。这表明阱垒之间的应力减小，降低了由此产生的压电电场，增大了载流子的复合几率，提高了量子效率。目前国内MOCVD生长LED外延层中涉及到量子阱结构设计基本为量子垒和量子阱交替结构，且能带图通常为锯齿状，其中量子垒的材料组分禁带宽度大于量子阱的材料组分禁带宽度，电子和空穴在外加电场的作用下通过垒层到达阱层的时候发生复合发光。由于InGaN和GaN材料的晶格适配诱发的极化电场存在，导致量子阱结构能带发生倾斜而增加了价带载流子的势垒高度。

中国专利文献CN104638073A公开了一种光电器件的量子阱结构，提出了一种以AlInGaN为垒， 以In和Al组分渐变的垒层结构替代传统量子阱结构的垒层结构设计，这种设计虽然可以提高LED发光效率，同时有效阻挡电子向P层迁移，减小极化电场的影响。

中国专利文献CN102867896A公开了一种LED外延结构及其制备方法，该LED外延结构包括：衬底，衬底上由下至上依次设置有GaN成核层或AlN成核层、非故意掺杂的GaN缓冲层和n型掺杂的GaN层，n型掺杂的GaN层的表面由下至上依次生长有多量子阱发光层和p型掺杂的GaN层且三者在三维空间内均呈周期排列的凹凸结构。该制备方法包括步骤：选择一衬底并采用MOCVD方法在衬底上依次生长GaN成核层或AlN成核层、非故意掺杂的GaN缓冲层以及n型掺杂的GaN层；利用光刻和刻蚀方法在n型掺杂的GaN层的表面刻出在三维空间内呈周期排列的凹凸结构，再利用MOCVD方法在其上生长多量子阱发光层及p型掺杂的GaN层。

但是，上述两篇专利文献中，因Al组分的加入会导致量子阱的晶体质量降低，加重与GaN材料的晶格不适配问题，对降低阱垒之间的应力效果不明显。

发明内容

针对现有外延片生长工艺制备出来的晶片内应力大、整体均匀性以及晶体质量适配度差、发光效率低的不足，本发明提供了一种量子阱结构及其生长方法；

本发明还提供了一种LED外延结构及其生长方法

采用本发明可以将样品量子阱的能带图由锯齿形转变为三角形，能够大大提高内量子效率、显著降低外延片内应力、提高外延晶体质量、增强器件发光效率。

本发明的技术方案为：

一种量子阱结构,包括多个量子阱单元，所述量子阱单元包括由下至上依次设置InGaN浅垒层、GaN量子垒层、第一InGaN浅阱层、InGaN量子阱层、第二InGaN浅阱层。