[发明专利]一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构

说明书

本发明涉及三族氮化物半导体光电子材料领域，提出了一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其下方第一应变减少层，以及紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其上方的第二应变减少层，所述第一应变减少层和第二应变减少层为In组分低于10%的InGaN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所述底垒层和顶垒层的垒层。本发明为为提升GaN基蓝绿光LED及激光器效率提供了一种新型的有源区结构。

技术领域

本发明涉及三族氮化物半导体光电子材料领域，特别涉及一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构。

背景技术

量子阱的发明是半导体材料发展史上具有里程碑意义的重大突破。量子阱概念的提出始于1963年阿尔费罗夫及克洛默提出的双异质结，随后，1970年，利用此双异质结构，第一台室温连续发射的半导体激光器问世。同年，江琦和朱兆祥提出的超晶格的概念，他们设想如果用两种晶格匹配很好的材料交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在100nm以下，则电子沿生长方向的运动将会产生振荡，可用于制造微波器件。1972年，Charles H.Henry在研究双异质结的光限制结构时，意识到双异质结同时也是载流子限制结构，经过理论计算发现，当双异质结构的有源层厚度降低到100nm以下时，会产生量子限制效应。1973年，W. Wiegmann首次利用分子束外延技术制备出了量子阱结构。1975年，贝尔实验室制备出了首台量子阱激光器。之后，量子阱结构在半导体激光器、LED、探测器等光电子器件中获得了广泛的应用。

量子阱结构最典型的应用就是作为半导体激光器及LED的有源区。其中InGaN/GaN多量子阱作为量子阱家族的新成员，在GaN基蓝绿光LED及激光器中获得了巨大成功，为世界照明及显示市场带来了革命性的变化。但InGaN/GaN量子阱本身也存在固有的限制，当发光波长向长波长方向移动时，随着In组分的提高，InGaN阱层与GaN垒层之间的晶格失配迅速增大，InGaN阱层中压应变迅速提高，导致阱层中的出现强极化效应，并产生大量失配位错。强极化效应使得量子阱能带倾斜，电子与空穴波函数空间分离，导致辐射复合效率大幅度降低，而大量失配位错意味着大量的非辐射复合中心。强极化效应及高位错密度极大地限制了InGaN/GaN多量子阱内量子效率的提高，也就限制了GaN基LED及激光器性能的提升。此外，量子阱层中的应力会穿透GaN垒层向上传递，导致InGaN阱层中的内应力逐层增加，导致极化效应及位错密度进一步增加。可以看出，InGaN/GaN多量子阱中存在的问题均与应变有关，要解决以上问题，关键就在于对InGaN/GaN多量子阱中的应变进行调制。

发明内容

本发明针对InGaN/GaN多量子阱中强极化效应及高缺陷密度的缺点，所要解决的技术问题为：提供一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，为提升GaN基蓝绿光LED及激光器效率提供了一种新型的有源区结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，还包括紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其下方的第一应变减少层，以及紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其上方的第二应变减少层，所述第一应变减少层和第二应变减少层为In组分低于10%的InGaN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所述底垒层和顶垒层的垒层。

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。

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。