[发明专利]一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构

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多层InGaN量子点结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方第一应变减少层，所述第一应变减少层为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GaN的垒层。本发明为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其发光波长范围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低维结构领域，特别涉及一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构。

背景技术

以GaN为基础的三族氮化物材料(包括AlN、AlGaN、InN、InGaN、AlGaInN)是继第一代硅锗、第二代砷化镓、磷化铟之后的第三代半导体材料。第一代半导体Si与Ge是现代微电子与集成电路的产业基础；第二代GaAs与InP则是红光、红外、中红外及太赫兹光电子器件(包括激光器、LED、探测器等)的基础材料。三族氮化物(III-N)则覆盖了可见光的紫、蓝、绿、黄光及紫外波段。其中，蓝光与绿光作为三原色，备受研究人员及产业界关注。

GaN基光电子器件的发明始于GaN材料的成功制备与GaN材料空穴传输问题的解决。之后，中村修二将InGaN/GaN量子阱引入LED，制备出第一支高亮度的蓝光LED；很快，中村修二又以InGaN/GaN量子阱为有源区，制备出了第一支半导体蓝光激光器。可以说，InGaN/GaN量子阱有源区是GaN基LED及激光器的核心部分。有源区的性能对器件性能具有决定性的影响。但是，InGaN/GaN量子阱结构本身的物理性质却限制了器件性能的进一步提升。首先，InGaN/GaN量子阱中存在很强的压电极化场，使得量子阱能带倾斜，导致电子与空穴波函数空间分离，降低了电子与空穴的辐射复合效率；第二，由于InGaN与GaN之间的晶格失配，随着In组分的提高，量子阱中压应变迅速增加，导致大量失配位错的产生；第三，InGaN量子阱层的内应力会穿透垒层向上传递，随着InGaN/GaN量子阱周期数的增加，InGaN量子阱的内应力也随之升高，导致了极化效应及位错密度的进一步增加。

为了彻底解决以上问题，研究人员将注意力转向其它低维纳米结构。其中，零维量子点结构被认为是最有可能解决以上问题的纳米结构之一。其优势主要体现在以下几个方面：首先，InGaN量子点的形成过程为三维生长模式，比二维层状生长的量子阱多一个维度来释放应力，故相同发光波长的InGaN量子点的内应变远低于InGaN量子阱，显著降低了极化效应，其次，由于应变的降低，所产生的失配位错密度也随之降低；第三，量子点具有比量子阱更强的局域态效应，能够有效束缚载流子，避免其被非辐射复合中心所俘获。此外，量子点具有比量子阱更低的有效态密度，作为激光器的有源区，能够使激光器的阈值电流显著降低。

InGaN量子点虽然具有先天的结构优势，但也存在更复杂的应变环境，使量子点生长可控性变差。而态密度低虽然可以降低激光器的阈值电流，却也会导致激光器增益不足，以及LED载流子泄漏的问题。

因此，有必要提出一种新型的多层InGaN量子点结构，以解决现有技术中InGaN量子点复杂的应变环境及态密度低的问题。

发明内容

本发明针对InGaN量子点复杂的应变环境及态密度低的缺点，所要解决的技术问题为：提供一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其波长范围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多层InGaN量子点结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方的第一应变减少层，所述第一应变减少层为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GaN的垒层。