[發明專利]一種量子阱結構、一種LED外延結構及其生長方法

有效

• 申請號: 201610486136.7
• 申請日: 2016-06-27
• 公開（公告）號: CN106098883B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發明（設計）人: 曹志芳;趙霞焱;徐現剛
• 申請（專利權）人: 山東浪潮華光光電子股份有限公司
• 主分類號: H01L33/06
• 分類號: H01L33/06;H01L33/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司37219
• 代理人: 楊樹云

技術領域

本發明涉及一種能夠降低外延片內應力的量子阱結構、LED外延結構及其生長方法，屬于LED外延生長技術領域。

背景技術

以GaN為基礎的發光二極管(LED)作為一種高效、環保、綠色新型固態照明光源，具有低電壓、低功耗、體積小、重量輕、壽命長、高可靠性等優點，正在迅速被廣泛地應用于交通信號燈、手機背光源、戶外全彩顯示屏、城市景觀照明、汽車內外燈、隧道燈等領域。因此LED的各方面性能提升都被業界重點關注，作為核心半導體器件的GaN基藍光LED能與熒光粉結合制造白光，在照明方面有很大的吸引力，并且逐漸成為目前電子電力學領域研究的熱點。氮化鎵材料具有寬帶隙、高電子遷移率、高熱導率、高穩定性等一系列優點，因此在短波長發光器件、光探測器件以及大功率器件方面也有著廣泛的應用和巨大的市場前景。

外延結構的生長是LED芯片的關鍵技術，而如何能降低內應力、提高發光效率，是外延結構生長的一個技術難題。在GaN基LED外延層制備方面，量子阱的特性是影響LED內應力和光學性能的一個重要因素，LED是利用注入的電子空穴在夾于n-型摻雜區和p-型摻雜區的有源區進行輻射復合發光的，電流注入效率越高，電子空穴輻射復合幾率越大，LED發光效率越高。根據理論分析：壘層摻In與常規量子阱結構的能帶圖相比，由能帶理論分析得到壘層摻In使量子阱的能帶彎曲減少、量子限制斯塔克效應減弱、電子阻擋層的電子阻擋效率提高、量子阱的空穴注入效率增加、電子與空穴的空間波函數交疊增加等，這些都對LED發光效率提高起到積極的作用。經過試驗表明，使用InGaN材料來生長量子壘結構，有源區材料界面質量明顯得到改善，樣品中V坑的數目及相應的錯位減少，并且利用InGaN做壘的樣品光致發光的峰值強度增強、峰位藍移，InGaN壘樣品的droop現象得到較大的改善。這表明阱壘之間的應力減小，降低了由此產生的壓電電場，增大了載流子的復合幾率，提高了量子效率。目前國內MOCVD生長LED外延層中涉及到量子阱結構設計基本為量子壘和量子阱交替結構，且能帶圖通常為鋸齒狀，其中量子壘的材料組分禁帶寬度大于量子阱的材料組分禁帶寬度，電子和空穴在外加電場的作用下通過壘層到達阱層的時候發生復合發光。由于InGaN和GaN材料的晶格適配誘發的極化電場存在，導致量子阱結構能帶發生傾斜而增加了價帶載流子的勢壘高度。

中國專利文獻CN104638073A公開了一種光電器件的量子阱結構，提出了一種以AlInGaN為壘， 以In和Al組分漸變的壘層結構替代傳統量子阱結構的壘層結構設計，這種設計雖然可以提高LED發光效率，同時有效阻擋電子向P層遷移，減小極化電場的影響。

中國專利文獻CN102867896A公開了一種LED外延結構及其制備方法，該LED外延結構包括：襯底，襯底上由下至上依次設置有GaN成核層或AlN成核層、非故意摻雜的GaN緩沖層和n型摻雜的GaN層，n型摻雜的GaN層的表面由下至上依次生長有多量子阱發光層和p型摻雜的GaN層且三者在三維空間內均呈周期排列的凹凸結構。該制備方法包括步驟：選擇一襯底并采用MOCVD方法在襯底上依次生長GaN成核層或AlN成核層、非故意摻雜的GaN緩沖層以及n型摻雜的GaN層；利用光刻和刻蝕方法在n型摻雜的GaN層的表面刻出在三維空間內呈周期排列的凹凸結構，再利用MOCVD方法在其上生長多量子阱發光層及p型摻雜的GaN層。

但是，上述兩篇專利文獻中，因Al組分的加入會導致量子阱的晶體質量降低，加重與GaN材料的晶格不適配問題，對降低阱壘之間的應力效果不明顯。

發明內容

針對現有外延片生長工藝制備出來的晶片內應力大、整體均勻性以及晶體質量適配度差、發光效率低的不足，本發明提供了一種量子阱結構及其生長方法；

本發明還提供了一種LED外延結構及其生長方法

采用本發明可以將樣品量子阱的能帶圖由鋸齒形轉變為三角形，能夠大大提高內量子效率、顯著降低外延片內應力、提高外延晶體質量、增強器件發光效率。

本發明的技術方案為：

一種量子阱結構,包括多個量子阱單元，所述量子阱單元包括由下至上依次設置InGaN淺壘層、GaN量子壘層、第一InGaN淺阱層、InGaN量子阱層、第二InGaN淺阱層。