CN103296165B - 一种可调控能带的led量子阱结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高发光二极管有源区多量子阱中辐射复合效率的可调控能带的量子阱结构及其外延生长方法。该可调控能带的LED量子阱结构包括至少一个组分渐变的量子阱势阱层，实现对量子阱区域的能带调控，提高量子阱有源区中的电子空穴波函数叠加，提高LED量子阱区域的辐射复合效率。该多量子阱结构可应用于InGaN基蓝光和绿光LED，提高InGaN基蓝光和绿光LED有源区的内量子效率，进而提高LED的功率和效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种可调控能带的LED量子阱结构。该发明可以有效的提高发光二极管的内量子效率，进而提高LED的辐射效率和功率，可用于蓝光和绿光LED中。
背景技术
近些年来氮化镓基LED的迅猛发展，白光LED效率有了很大提高，取代目前照明所用的白炽灯和荧光灯已指日可待。但是其效率相对理论值还有很大提升空间。而长久以来，限制白光LED效率提高的因素也很多。其中深受广大学者关注的一个难题就是大电流下LED效率衰减。造成效率衰减的因素有很多，如俄歇复合、空穴的低注入效率、载流子泄露、In局域化等，目前还没有统一的定论。Min-Ho Kim
等人则认为多量子阱区和电子阻挡层中的极化电场是导致GaN基LED效率DROOP的主要原因。极化电场导致量子阱中能带弯曲，导带在p型一侧较低，n型一侧被抬高，因此实际量子阱呈现为三角形，电子向p型一侧聚集，空穴则向相反方向n型一侧聚集，即在空间上被分离，由此导致电子空穴波函数的重叠积分减小，因此复合效率降低，从而使得LED效率降低。此外，极化电场带来的能带弯曲使得量子垒形成三角势垒，会阻止电流扩散，因此需要增大电压来使电子通过势垒。当电流超过一定值时，工作电压大于内建电场，n型区导带高于p型区导带，导致大量电子泄漏。有学者提出用与InGaN量子阱极化匹配的AlInGaN量子垒，从而消除极化电场的影响。另有学者采用三角形量子阱使得电子空穴被限制在势能最低处，这样极化电场导致的能带弯曲不会造成电子空穴在空间上的分离，电子空穴波函数重叠积分对极化效应不再敏感，因而LED的复合效率也不再受到极化效应的严重影响。然而，对于采用AlInGaN量子垒的方法，由于其Al和In的并入较为困难，因此一直都很难获得较高晶体质量的AlInGaN外延材料。而对于三角形量子阱的方法，由于量子阱层厚度一般只有几个纳米，生长时间很短，在如此短的时间内要想完美的实现组分如此巨大的渐变对于MOCVD外延生长也是一个高难度的挑战。本发明则立足于GaN基量子阱中极化电场与组分的关系，通过设计组分实现强度渐变的极化电场，再通过极化电场以及组分对能带的作用调控量子阱中能带，使得量子阱在很小的组分渐变下即实现削弱能带弯曲的现象，最终实现提高LED内量子效率的目的。
发明内容
本发明所要解决的问题是发光二极管有源区多量子阱中出辐射复合效率低的问题。为此本发明提出了一种具有能带调控量子阱的多量子阱结构及其制作方法。
本发明提出的可调控能带的LED量子阱结构，其包括至少一个能带被调控的量子阱结构，该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。
本发明提出的一种可调控能带的LED量子阱结构装置的外延生长方法，包括：
步骤1、在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层；
步骤2、生长InGaN能带调控量子阱结构；该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。
该多量子阱结构可应用于InGaN基蓝光和绿光LED，提高InGaN基蓝光和绿光LED有源区的内量子效率，进而提高LED的功率和效率。
附图说明
图1为本发明优选实施例中可调控能带的LED量子阱结构装置的截面结构示意图。
图2为本发明的优选实施例中可调控能带的LED量子阱结构装置与常规多量子阱结构装置在100A/cm2的电流密度下的能带对比图。
图3为理论计算本发明上述优选实施例中可调控能带的LED量子阱结构装置最后一个量子阱与常规多量子阱结构顶部最后一个量子阱中的电子空穴波函数空间分布对比图。
图4为本发明可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第一优选实施例中相关参数的变化示意图。
图5为本发明可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第二优选实施例中相关参数的变化示意图。
图6为本发明可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第三优选实施例中相关参数的变化示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
参照图1所示，本发明公开了一种可调控能带的LED量子阱结构装置，从下往上为外延生长方向，其中外延生长方向所对应晶面为极性面和半极性面，优选(0001)晶面。该装置的量子阱结构沿着外延生长方向包括：
常规量子阱13，其通过交替重复生长量子阱势垒层11和量子阱势阱层12层形成；其中量子阱势垒层11的材料为InxGa1-xN，0≤x≤1，厚度为厚度7-20nm；量子阱势阱层12的材料为InyGa1-yN，x＜y≤1，厚度为厚度1-7nm，其In组分在单层量子阱阱层中保持不变；
能带调控量子阱15，其通过交替重复生长量子阱势垒层11和组分渐变量子阱势阱层14形成；其中组分渐变量子阱势阱层14的材料为InGaN，其中In的组分沿外延生长方向线性渐变，In组分线性增加，并满足量子阱势阱层12中的In组分在组分渐变量子阱势阱层14中In组分的变化范围内，即要求组分渐变量子阱势阱层14中In组分最小值小于量子阱势阱层12中的In组分，而组分渐变量子阱势阱层14中In组分最大值大于量子阱势阱层12中的In组分，且整个组分渐变量子阱势阱层14中In组分最大值和最小值差异小于0.15。
上述量子阱结构装置中，多个常规量子阱13同多个能带调控量子阱15按照任意顺序组合构成，以提高内量子效率，总量子阱数目1-15个；
其中常规量子阱13的个数大于等于0，能带调控量子阱15的个数大于等于1；且靠近p侧的最顶部量子阱须为能带调控量子阱15。
所述LED量子阱结构装置的基材料为InxGa1-xN，0≤x≤1；上述多量子阱结构装置，其在空气中发射的电磁波辐射中心波长在360-650nm之间。
本发明公开的上述LED量子阱结构中，通过设置能带调控量子阱，其采用组分渐变结构，利用组分渐变InGaN材料中的极化效应以及组分对能带的作用，对量子阱能带进行调控，增加量子阱中电子空穴波函数的重叠积分，提高量子阱辐射复合效率，进而达到增加内量子效率的目的。
图1为本发明的第一优选多量子阱结构装置的截面结构示意图。图1中先生长了5个常规量子阱13，其中势垒层材料为GaN，厚度7-20nm，优选为12nm，势阱层材料为In0.13Ga0.87N，厚度1-7nm，优选为3nm；后在顶部继续生长了3个极化调控量子阱15，其中势垒为GaN，厚度7-20nm，优选为12nm，势阱为InGaN，组分由0.12线性渐变到0.14，厚度1-7nm，优选为3nm；共8个量子阱。
图2为本发明中根据上述优选实施例的多量子阱结构装置与常规多量子阱结构在某一电流下的能带对比图。其中前5个阱的能带基本与常规量子阱结构重合，而后三个能带调控量子阱15的能带则明显不同于常规量子阱结构。
图3为本发明中根据上述选实施例的多量子阱结构装置理论计算的最后一个量子阱与常规多量子阱结构最后一个量子阱中的电子空穴波函数空间分布对比图。从图中可以看出，常规量子阱结构电子空穴波函数重叠积分为38.9％，而能带调控量子阱15的重叠积分为48.5％。内量子效率提高超过25％。
本发明还公开了一种可调控能带的LED量子阱结构装置的生成方法。
根据本发明的第一优选实施例，所述可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法包括：
步骤1，在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层；
步骤2，生长InGaN多量子阱结构；期间，在生长常规量子阱时，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的常规InGaN量子阱结构生长条件下，包括生长温度在700-1000℃范围，反应室压力小于150Torr，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铟的流量和金属有机源材料镓的流量均保持不变输入生长反应室，反应室其他条件如温度压力等也保持不变，形成InGaN量子阱势阱层；而在生长能带调控量子阱阱层时，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱层生长条件下，包括生长温度在700-1000℃范围，反应室压力小于150Torr，于N2或H2载气保护下，使III族金属有机源材料铟的流量逐渐增大，金属有机源材料镓的流量保持不变输入生长反应室，形成组分渐变的InGaN量子阱势阱层；
步骤3，在InGaN量子阱层上再生长氮化镓量子势垒层；
步骤4，循环重复以上步骤2和3至少两次；优选地，重复五次生长常规量子阱结构，接着重复三次生长能带调控量子阱；并要求量子阱结构的起始和结束生长均为量子势垒层。
步骤5，最后生长p型氮化镓层。
在步骤2中，生长能带调控量子阱阱层时，需要依据反应室的生长温度条件下InGaN的热力学气-固组分关系[Lu Da-cheng，Duan Shu-kun.Quasi-thermodynamic analysis of MOVPE growth of InGaN.Chinese JSemiconductors，2000，21：105-114.]，对金属有机源材料铟和镓流量的控制，进而控制反应室中TMIn/(TMIn+TMGa)的比例变化生长出In组分线性渐变的能带调控量子阱阱层；且为了实现能带调控量子阱阱层的In组分最小值和最大值分别小于和大于常规量子阱阱层的In组分，在该生长方法中通常要求能带调控量子阱阱层生长时的有机源材料铟的流量最小值和最大值分别小于和大于常规量子阱阱层生长时的有机源材料铟的流量；
图4示出了可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第一优选实施例中，有机源材料铟的流量、金属有机源材料镓流量以及反应室生长温度的变化情况。
根据本发明第二优选实施例，该可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法包括：
步骤1，在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层；
步骤2，生长InGaN多量子阱结构；期间，在生长常规量子阱时，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的常规InGaN量子阱结构生长条件下，包括生长温度在700-1000℃范围，反应室压力小于150Torr，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铟的流量和金属有机源材料镓的流量均保持不变输入生长反应室，形成常规InGaN阱层；而在生长能带调控量子阱阱层时，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱层生长条件下，包括生长温度在700-1000℃范围，反应室压力小于150Torr，于N2或H2载气保护下，使III族金属有机源材料铟的流量保持不变，而金属有机源材料镓的流量逐渐降低，输入生长反应室，形成组分渐变的InGaN阱层；
步骤3，在InGaN量子阱层上再生长氮化镓量子势垒层；
步骤4，循环重复以上步骤2和3至少两次；优选地，重复五次生长常规量子阱结构，接着重复三次生长能带调控量子阱；并要求量子阱结构的起始和结束生长均为量子势垒层。
步骤5，最后生长p型氮化镓层。
在步骤2中，生长能带调控量子阱阱层时，需要依据反应室的生长温度条件下InGaN的热力学气-固组分关系[Lu Da-cheng，Duan Shu-kun.Quasi-thermodynamic analysis of MOVPE growth of InGaN.Chinese JSemiconductors，2000，21：105-114.]，对金属有机源材料铟和镓流量的控制，进而控制反应室中TMIn/(TMIn+TMGa)的比例变化生长出In组分线性渐变的能带调控量子阱阱层；且为了实现能带调控量子阱阱层的In组分最小值和最大值分别小于和大于常规量子阱阱层的In组分，在该生长方法中通常要求能带调控量子阱阱层生长时的有机源材料镓的流量最小值和最大值分别小于和大于常规量子阱阱层生长时的有机源材料镓的流量；
图5示出了可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第二优选实施例中，有机源材料铟的流量、金属有机源材料镓流量以及反应室生长温度的变化情况。
根据本发明第三优选实施例，所述可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法包括：
步骤1，在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层；
步骤2，生长InGaN多量子阱结构；期间，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的常规InGaN量子阱结构生长条件下，包括生长温度在700-1000℃范围，反应室压力小于150Torr，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铟的流量和金属有机源材料镓的流量均保持不变输入生长反应室，形成常规InGaN阱层；而在生长能带调控量子阱阱层时，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱层生长条件下，包括生长温度在700-1000℃范围，反应室压力小于150Torr，于N2或H2载气保护下，使III族金属有机源材料铟和镓的流量保持不变输入生长反应室，线性降低反应室生长温度，形成组分渐变的InGaN阱层；
步骤3，在InGaN量子阱层上再生长氮化镓量子势垒层；
步骤4，循环重复以上步骤2和3至少两次，优选地，重复五次生长常规量子阱结构，接着重复三次生长能带调控的量子阱；并要求量子阱结构的起始和结束生长均为量子垒层。
步骤5，最后生长p型氮化镓层。
其中在步骤2中，生长能带调控量子阱阱层时且为了实现能带调控量子阱阱层的In组分最小值和最大值分别小于和大于常规量子阱阱层的In组分，在该生长方法中通常要求能带调控量子阱阱层生长时的温度变化最小值和最大值分别小于和大于常规量子阱阱层生长时的温度；
图6示出了可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第三优选实施例中，有机源材料铟的流量、金属有机源材料镓流量以及反应室生长温度的变化情况。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种可调控能带的LED量子阱结构装置，其包括至少一个能带调控的量子阱结构，该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成；所述LED量子阱结构还包括常规量子阱结构，且常规量子阱数量大于等于0，其由量子阱势垒层和组分不变量子阱势阱层交替生成，所述常规量子阱结构中的量子阱势阱层中In的组分保持不变；
所述LED量子阱结构的生长晶面为极性面和半极性面；所述LED量子阱结构的基材料为InxGa1-xN，其中0≤x≤1；
所述量子阱势垒层材料为InxGa1-xN，厚度7-20nm；组分渐变量子阱势阱层和组分不变量子阱势阱层的材料为InyGa1-yN，厚度1-7nm，其中，0≤x＜y≤1；所述能带调控的量子阱结构的数目在1-15之间；
所述量子阱势垒层中In组分不变，而组分渐变量子阱势阱层中In组分沿生长方向渐变，其In组分沿生长方向线性增加；所述组分渐变量子阱势阱层中In组分变化最大值和最小值差异小于0.15，且所述组分不变量子阱势阱层中In组分在所述组分渐变量子阱势阱层中In组分的变化范围之内；
所述至少有一个能带调控的量子阱结构靠近LED的p型侧；所述LED量子阱结构装置在空气中发射的电磁波辐射中心波长在360-650nm之间。
2.一种可调控能带的LED量子阱结构装置的外延生长方法，包括：
步骤1、在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层；
步骤2、生长InGaN能带调控量子阱结构；该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成；
该方法还包括：生长常规量子阱结构；该常规量子阱结构由量子阱势垒层和组分不变量子势阱层交替生成，所述常规量子阱结构中组分不变量子阱势阱层中In的组分保持不变；其中，所述能带调控量子阱结构和常规量子阱结构按照预定的顺序和数量生长；
其中，所述LED量子阱结构的生长晶面为极性面和半极性面；所述LED量子阱结构的基材料为InxGa1-xN，其中0≤x≤1；
所述量子阱势垒层材料为InxGa1-xN，厚度7-20nm；组分渐变量子阱势阱层和组分不变量子阱势阱层的材料为InyGa1-yN，厚度1-7nm，其中，0≤x＜y≤1；所述能带调控量子阱结构的数目在1-15之间；
所述量子阱势垒层中In组分不变，而组分渐变量子阱势阱层中In组分沿生长方向渐变，其In组分沿生长方向线性增加；所述组分渐变量子阱势阱层中In组分变化最大值和最小值差异小于0.15，且所述组分不变量子阱势阱层中In组分在所述组分渐变量子阱势阱层中In组分的变化范围之内；
所述能带调控量子阱结构靠近LED的p型侧；所述LED量子阱结构装置在空气中发射的电磁波辐射中心波长在360-650nm之间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在生长常规量子阱结构时，在氮化镓基蓝光或绿光发光二极管有源区的InGaN量子阱结构生长条件下，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铟的流量和金属有机源材料镓的流量均保持不变输入生长反应室，并保持反应室的其他条件不变，形成InGaN量子阱势阱层。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在生长能带调控量子阱结构时，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱势阱层生长条件下，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铟的流量逐渐增大，金属有机源材料镓的流量保持不变输入生长反应室，形成组分渐变的InGaN量子阱势阱层。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在生长能带调控量子阱结构时，在氮化镓基蓝光/绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱势阱层生长条件下，于N2或H2保护下，使III族金属有机源材料铟的流量保持不变，而金属有机源材料镓的流量逐渐降低，输入生长反应室，形成组分渐变的InGaN量子阱势阱层。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在生长能带调控量子阱结构时，在氮化镓基蓝光或绿光发光二极管有源区的铟镓氮量子阱势阱层生长条件下，使III族金属有机源材料铟和镓的流量保持不变输入生长反应室，线性降低反应室生长温度，形成组分渐变的InGaN量子阱势阱层。
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