CN103682981A - 具有极化补偿机制的氮化物量子阱、激光器及发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有极化补偿机制的氮化物量子阱，包括交替层叠生长的多层势阱层和多层势垒层，其特征在于：所述势阱层材料为In_yGa_1-yN或Al_yGa_1-yN，其中0＜y＜0.6，所述势阱层材料中y的取值在量子阱生长方向从低向高或从高向低连续渐变，且y值沿生长方向z的变化关系满足式Ⅰ，

（Ⅰ）式中：E表示量子阱中的总极化电场，E_g,InN为氮化铟材料的能带宽度，E_g,GaN为氮化镓材料的能带宽度。这样的氮化物量子阱能够抵消量子阱内的极化电场对量子阱的扭曲，从而提高量子阱中导带电子的包络波函数与价带孔穴的包络波函数的空间重叠程度，使得量子阱内的电子与孔穴在空间上的偶合增加。

Description

具有极化补偿机制的氮化物量子阱、激光器及发光二极管

技术领域

本发明涉及半导体光电子领域，具体涉及一种具有极化补偿机制的氮化物量子阱、包含有该氮化物量子阱的激光器以及包含有该氮化物量子阱的发光二极管。

背景技术

基于InGaN/GaN量子阱结构的激光器的发光范围可以从紫外到绿光，其应用包括医疗，信息存储、高分辨率激光印刷等，其最大的应用前景是激光投影和激光电视，因为基于红绿蓝激光的显示***具有更好的色彩饱和度，更能逼真地呈现自然界的色彩。

自从1995年日本日亚公司的Nakamura等演示了InGaN/GaN激光器以来，InGaN/GaN激光器已经取得了巨大进展，体现在器件的性能如阈值电流、外量子效率以及输出功率等。然而当激光器的波长向长波方向移动时，由于需要在InGaN/GaN量子阱材料组分中添加更多的In，导致量子阱的应变更高，而且量子阱材料的极化电场与其应变成正比，极化电场使得电子与空穴的包络函数耦合降低，导致了含有更高In组分的InGaN/GaN量子阱结构器件的光增益降低、阈值电流增加。在氮化物材料体系中，存在着两种机理不同的极化：其一是材料的自发极化，自发极化的本质在于氮化物材料的极性分子结构及其晶体结构；其二为由于材料的晶格失配而引起的压电极化。氮化物材料的晶格为六方对称铅锌矿结构，由于其晶体结构缺乏对称性，因而在六方体对称轴方向存在着自发极化。而压电极化是当延六方体对称轴方向有应力存在时，比如由于晶格失配而产生的应力，在六方体对称轴方向就会出现极化电场。自发极化与压电极化导致了量子阱内有很强的极化电场，这一电场使得导带量子阱中的电子与价带量子阱中的孔穴在空间上分离，大大降低了载流子的复合效率。例如，在量子阱的厚度只有3纳米的InGaN/GaN量子阱中导带电子的薛定谔波函数与价带孔穴的薛定谔波函数的空间重叠只有20%左右，而在非极化的量子阱中，这一重叠几乎达到100%，更为严峻的是随着InGaN/GaN量子阱材料中In的组分的增多以及量子阱尺寸的增加，这一效应更为显著。载流子复合效率的降低最直接的结果是激光的阈值电流增加，光增益降低。

鉴于激光显示技术的巨大应用前景，以及其对应的产值有可能超过数千亿元，显然研制具有极化补偿机制的InGaN/GaN量子阱，提高InGaN/GaN量子阱中导带电子的包络波函数（即薛定谔波函数）与价带孔穴的包络波函数的空间重叠程度，使InGaN/GaN激光器能够工作在更长的波长并且具有低阈值电流密度、高量子效率具有重要的学术意义与商业应用前景。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种具有极化补偿机制的氮化物量子阱。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有极化补偿机制的氮化物量子阱，包括交替层叠生长的多层势阱层和多层势垒层，其特征在于：所述势阱层材料为In_yGa_1-yN或Al_yGa_1-yN，其中0＜y＜0.6，所述势阱层材料中y的取值在量子阱生长方向从低向高或从高向低连续渐变，且y 值沿生长方向z的变化关系满足式Ⅰ，

（Ⅰ）

式中：E表示量子阱中的总极化电场，E_g,InN为氮化铟材料的能带宽度，E_g,GaN为氮化镓材料的能带宽度。

优化地，所述量子阱的能带宽度E_g满足式Ⅱ，

（Ⅱ）。

优化地，所述量子阱两侧的最外层均为势垒层。

优化地，所述势垒层的材料为Al_xGa_1-xN，其中0＜x＜0.6。进一步地，所述势垒层的材料Al_xGa_1-xN中x的取值在量子阱生长方向从0向0.6连续渐变或从0.6向0连续渐变。

本发明另一目的是提供一种激光器，该激光器包含如上所述的量子阱。

本发明再一目的是提供发光二极管，该发光二极管包含如上所述的量子阱。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明具有极化补偿机制的氮化物量子阱，通过将势阱层材料In_yGa_1-yN或Al_yGa_1-yN中y的取值设置为在量子阱生长方向从低向高或从高向低连续渐变，且y 值沿生长方向z的变化关系满足公式

，能够抵消量子阱内的极化电场对量子阱的扭曲，从而提高量子阱中导带电子的包络波函数与价带孔穴的包络波函数的空间重叠程度，使得量子阱内的电子与孔穴在空间上的偶合增加。

附图说明

附图1为基于InGaN/GaN材料的半导体激光器外延结构示意图；

附图2为基于InGaN/GaN材料的半导体激光器量子阱结构示意图；

附图3为材料组分为In_0.28Ga_0.72N的量子阱对应的能带图；

附图4为在极化电场作用下材料组分为In_0.28Ga_0.72N的量子阱对应的能带图；

附图5为附图4对应的量子阱内电子与孔穴在空间上的偶合减小机理图；

附图6为本发明在极化电场作用下附图2对应的能带图；

附图7为本发明实施例2的激光器的剖面示意图；

附图8为本发明实施例3的发光二极管的剖面示意图；

其中：1、N型AlGaN层；2、AlGaN波导层；3、量子阱； 31、AlGaN势垒层；32、InGaN势阱层；4、P型AlGaN层；5、衬底；6、下部包层；7、上部包层；8、第一半导体层；9、第二半导体层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明：

如图1所示的现有半导体激光器外延结构，包括依次层叠设置的N型AlGaN层1、AlGaN波导层2、量子阱3、AlGaN波导层2、P型AlGaN层，z方向为量子阱的生长方向。其中量子阱3，由交替层叠的多层势垒层和势阱层组成，势阱层材料为InGaN或AlGaN，如图2所示，该量子阱3由交替层叠的多层AlGaN势垒层和InGaN势阱层组成。现有的量子阱材料的组分是恒定的，比如对于发光波长大约在450nm的蓝光范围，可采用厚度为3nm、材料组分为In_0.28Ga_0.72N的势阱层，其对应的能带结构如图3所示，导带和价带为对应且高低相间的规格方形曲线。由于材料内极化电场的存在，导致了量子阱3底部的电势面为一梯度型，如图4所示。这一梯度的大小与极化电场强度成正比，即材料的应变越大，极化场强越高，量子阱3底的梯度越陡。由于极化电场对量子阱的扭曲，降低了量子阱3中导带电子的包络波函数与价带孔穴的包络波函数的空间重叠程度，使得量子阱3内的电子与孔穴在空间上的偶合减小，从而降低了器件内的光增益，最终导致阈值电流上升，量子效率降低，参见图5。

实施例1

在本实施例中，氮化物量子阱3仍由交替层叠的多层AlGaN势垒层和InGaN势阱层组成，不同的是不再保持势阱层材料组分恒定，而是采用In_yGa_1-yN，其中0＜y＜0.6，y的取值在量子阱生长方向（z方向）从低向高或从高向低连续渐变。而且y 值沿生长方向z的变化关系满足。式中E表示量子阱中的总极化电场，E_g,InN为氮化铟材料的能带宽度，E_g,GaN为氮化镓材料的能带宽度，这些参数均为量子阱的固有性质，可以根据量子阱的材料性质直接确定或者从本领域技术书籍中查到。这样可以抵消量子阱3内的极化电场对量子阱的扭曲，使得量子阱3的电势面底部在不包含极化电场效应时为不规则梯度型，但是实际上由于极化电场的存在，量子阱3的电势面底部恢复为恒定平面型，如图4至6所示，从而提高了量子阱3中导带电子的包络波函数与价带孔穴的包络波函数的空间重叠程度，使得量子阱3内的电子与孔穴在空间上的偶合增加。

量子阱3的能带宽度E_g满足

，使得量子阱3的结构进一步优化。而且，由于InGaN与AlGaN具有不同的禁带宽度，通过将窄带In_yGa_1-yN材料夹在较宽的AlGaN材料中间，即量子阱3两侧的最外层均为势垒层，就会在导带与价带间形成具有对载流子具有空间束缚作用的量子阱3结构，这样的量子阱3结构相比体材料的有源结构具有更优异的激光特性，如低阈值电流，高量子效率等。

实施例中势垒层的材料可以为本领域技术人员熟悉的材料，也可以优化选用Al_xGa_1-xN，其中，0＜x＜0.6，且x的取值在量子阱生长方向（z方向）从0向0.6连续渐变或从0.6向0连续渐变。

实施例2

本实施例提供一种包含实施例1所述量子阱结构的激光器，其结构如图7所示，包括由下往上依次层叠的衬底5、下部包层6、量子阱3、上部包层7。其中，衬底5、下部包层6、上部包层7为现有激光器的常见基本结构，例如衬底5为N型GaN衬底、下部包层6为N型AlGaN包层、上部包层7为P型AlGaN包层；量子阱3为实施例1中所述的量子阱。

实施例3

本实施例提供一种包含实施例1所述量子阱结构的发光二极管，其结构如图8所示，包括第一半导体层8、第二半导体层9以及设于第一半导体层8、第二半导体层9之间的量子阱3。其中，第一半导体层8、第二半导体层9为现有发光二极管的常见基本结构，量子阱3为实施例1中所述的量子阱。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有极化补偿机制的氮化物量子阱，包括交替层叠生长的多层势阱层和多层势垒层，其特征在于：所述势阱层材料为In_yGa_1-yN或Al_yGa_1-yN，其中0＜y＜0.6，所述势阱层材料中y的取值在量子阱生长方向从低向高或从高向低连续渐变，且y 值沿生长方向z的变化关系满足式Ⅰ，

（Ⅰ）

式中：E表示量子阱中的总极化电场，E_g,InN为氮化铟材料的能带宽度，E_g,GaN为氮化镓材料的能带宽度。

2.根据权利要求1所述的具有极化补偿机制的氮化物量子阱，其特征在于：所述量子阱的能带宽度E_g满足式Ⅱ，

（Ⅱ）。

3.根据权利要求1所述的具有极化补偿机制的氮化物量子阱，其特征在于：所述量子阱两侧的最外层均为势垒层。

4.根据权利要求1所述的具有极化补偿机制的氮化物量子阱，其特征在于：所述势垒层的材料为Al_xGa_1-xN，其中0＜x＜0.6。

5.根据权利要求4所述的具有极化补偿机制的氮化物量子阱，其特征在于：所述势垒层的材料Al_xGa_1-xN中x的取值在量子阱生长方向从0向0.6连续渐变或从0.6向0连续渐变。

6.一种激光器，其特征在于：包括如权利要求1至4中任一所述的氮化物量子阱。

7.一种发光二极管，其特征在于：包括如权利要求1至4中任一所述的氮化物量子阱。

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