[發明專利]一種非極性面量子點發光二極管及其制備方法

有效

• 申請號: 201710429863.4
• 申請日: 2017-06-08
• 公開（公告）號: CN107170862B
• 公開（公告）日: 2019-03-22
• 發明（設計）人: 趙桂娟;汪連山;李輝杰;孟鈺淋;吉澤生;李方政;魏鴻源;楊少延;王占國
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/06;H01L33/32
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，更具體地涉及一種非極性面量子點發光二極管及其制備方法。

背景技術

作為第三代寬禁帶半導體技術的典型應用，商業化的GaN基LEDs產品已覆蓋了紫外到綠光光譜。作為一種發光器件，GaN基LEDs可廣泛應用在室內外照明、商業照明、農業照明、交通照明、醫用照明和顯示背光源等諸多方面。對這一光源的關注，使得近年來GaN基LEDs的制備技術水平獲得了大幅提升，但其中的一些技術瓶頸也日益凸顯，仍然需要解決以下兩個方面的關鍵科學技術問題。一方面，隨著In含量的增加(從紫外到綠光)，高In含量的InGaN與GaN之間的品格失配增大，導致有源區位錯密度很大，基于量子阱發光的LEDs性能嚴重下降，綠光波段(尤其是525～575nm波長范圍)高效發光難以實現。另一方面，由纖鋅礦晶體結構引發的強極化效應限制了GaN基材料效率的提高。沿著極軸[0001](c軸)晶向的壓電極化和自發極化會導致在InGaN發光二極管的量子阱有源區形成大的內建電場(＞1MV/cm)。此電場會導致量子阱中電子和空穴波函數在空間上分離，從而減少輻射復合率。

發明內容

基于以上問題，本發明的主要目的在于提出一種非極性面量子點發光二極管及其制備方法，用于解決以上技術問題的至少之一。

為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，本發明提出了一種非極性面量子點發光二極管，包括襯底及依次疊置于襯底上的、均為非極性面的u型GaN層、n型GaN層、有源區、p型電子阻擋層及p型GaN層，其中：

有源區包括周期分布的、非極性面的InGaN量子點勢阱層和GaN勢壘層。

在本發明的一些實施例中，上述InGaN量子點勢阱層和GaN勢壘層的周期為3～15個；InGaN量子點勢阱層中，量子點的密度、尺寸及InGaN材料中In的組分(即摩爾分數)與非極性面量子點發光二極管的發光波長相匹配。

在本發明的一些實施例中，上述InGaN量子點勢阱層采用S-K模式生長，量子點的密度為5×10⁸～1×10¹²cm^-2、直徑為10～100nm、高度為2～12nm；InGaN材料中In的組分為0.3～0.6。

在本發明的一些實施例中，上述非極性面量子點發光二極管：

在襯底與u型GaN層之間還具有一應力協變層；

該應力協變層是由至少一組柔性層和緩沖層退火形成的多孔或分立多單元結構。

在本發明的一些實施例中，上述柔性層的材料、厚度、緩沖層的材料、厚度及退火條件均與u型GaN層和n型GaN層的應力相匹配。

在本發明的一些實施例中，上述柔性層的主體材料包括InGaN、InN、ZnO、AlN或碳納米棒；緩沖層的主體材料包括GaN、InN、ZnO、AlN或碳納米棒。

在本發明的一些實施例中，上述柔性層的主體材料為In組分(即摩爾分數)0.1～0.5的InGaN，該柔性層的厚度為20～100nm；緩沖層的主體材料為GaN，該緩沖層的厚度為30～150nm。

在本發明的一些實施例中，上述u型GaN層的厚度為1～6μm；n型GaN層的厚度為2～4μm；p型電子阻擋層的主體材料為AlGaN，其中Al的組分(即摩爾分數)為0.08～0.3，厚度為2～50nm；p型GaN層的厚度為0.1～0.5μm。

為了實現上述目的，作為本發明的另一個方面，本發明提出了一種上述非極性面量子點發光二極管的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、在襯底上依次形成均為非極性面的u型GaN層、n型GaN層；

步驟2、在n型GaN層上先生長一浸潤層，然后生長非極性面的InGaN量子點，再在InGaN量子點上生長非極性面的GaN勢壘層；重復上述步驟n次，形成有源區；

步驟3、在有源區上形成均為非極性面的p型電子阻擋層及p型GaN層，完成非極性面量子點發光二極管的制備；

其中，n為自然數。

在本發明的一些實施例中，n的取值范圍為3≤n≤15。

在本發明的一些實施例中，上述有源區的形成環境為：溫度600～750℃、壓強100～760Torr。

在本發明的一些實施例中，上述步驟1中形成u型GaN層之前，還包括以下步驟：

在襯底上形成至少一組柔性層和緩沖層，至少一組柔性層和緩沖層退火后形成多孔或分立多單元結構的應力協變層；則u型GaN層形成于應力協變層上。