CN103779465B - Led多量子阱结构装置及生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种LED多量子阱结构装置及生长方法，该装置包括：能带能被调控的LED多量子阱结构，所述LED多量子阱结构从下往上包括依次交替生长的势垒层、铟组分递减的第一势阱层以及铟组分递增的第二势阱层。该结构通过调整势阱中的铟组分合理有效的改变能带形状，在量子阱有源区两端形成两个复合中心，增加有源区中电子和空穴波函数的叠加重合区域，提高辐射复合效率，从而提高了LED的发光效率。另外，In组分的渐变能显著提高LED的波长稳定性等工作性能。因此，该多量子阱结构装置可运用于InGaN基蓝光和绿光LED，提高蓝光和绿光LED有源区的内量子阱效率，进而提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术，尤其涉及一种LED多量子阱结构装置及生长方法。
背景技术
以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带材料，是继硅（Si）和砷化镓（GaAs）之后的第三代半导体材料，主要用来制作发光二极管（Light Emitting Diode，LED）、激光器、探测器、高频高功率晶体管等电子器件。
由于GaN基材料是离子晶体，其正负电荷不重合，形成自发极化。另外，由于铟氮化稼InGaN和GaN材料之间的晶格失配，又会引起压电极化，进而形成压电极化场。压电极化场引起量子限制斯塔克效应（Quantum Confinement Stark Effect，QCSE），即压电极化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，具体可参见图1A与图1B，图1A为现有技术中传统量子阱的未考虑QCSE影响的能带图，图1B为现有技术中传统量子阱的考虑QCSE影响的能带图。因此，实际量子阱呈三角形，电子向P型一侧聚集，空穴则相反向n型一侧聚集，即在空间上被分离，电子和空穴的空间波函数的交叠面积减小，降低其辐射复合几率。而且，随着InGaN中In组分的增加和势阱层厚度的增加，QCSE也会逐渐增强。因此，尽量避免QCSE对于提升LED的性能至关重要。
已经有人针对以上问题提出三角形量子阱，使得空穴和电子被限制在势能最低处，这样压电极化场导致的能带弯曲造成的电子空穴的空间分离会稍有减弱，但作用有限。
发明内容
本发明提供一种LED多量子阱结构装置及生长方法，通过调整势阱中的铟组分合理有效的改变能带形状，在量子阱有源区两端形成两个复合中心，增加有源区中电子和空穴波函数的叠加重合区域，提高辐射复合效率，从而提高了LED的发光效率。
第一个方面，本发明实施例提供一种LED多量子阱结构装置，包括：
能带能被调控的LED多量子阱结构，所述LED多量子阱结构从下往上依次为交替生长的势垒层、铟组分递减的第一势阱层以及铟组分递增的第二势阱层。
在第一个方面的第一种可能的实现方式中，所述势垒层的厚度为5～20nm。
在第一个方面的第二种可能的实现方式中，所述第一势阱层的厚度为1～3nm，所述第一势阱层中铟组分递减的差值范围为1%～15%。
在第一个方面的第三种可能的实现方式中，所述第二势阱层的厚度为1～3nm，所述第二势阱层中铟组分递增的差值范围为1%～15%。
结合第一个方面、第一个方面的第一种、第二种或第三种中任一种可能的实现方式，在第一个方面的第四种可能的实现方式中，所述势垒层、所述第一势阱层以及所述第二势阱层为一组，交替生长周期为3～15组。
第二个方面，本发明实施例提供一种LED多量子阱结构装置的外延生长方法，包括：
步骤1、在LED多量子阱结构装置之下从下往上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂层、n型掺杂层以及量子阱过度层；
步骤2、生长所述LED多量子阱结构装置，所述LED多量子阱结构装置包括能带能被调控的LED多量子阱结构，所述LED多量子阱结构从下往上依次交替生长势垒层、铟组分递减的第一势阱层以及铟组分递增的第二势阱层；
步骤3、在所述LED多量子阱结构装置之上从下往上依次生长p型掺杂层与金属接触层。
在第二个方面的第一种可能的实现方式中，所述步骤2中生长势垒层包括：在生长温度为800～950℃下，生长厚度为5～20nm的所述势垒层。
在第二个方面的第二种可能的实现方式中，所述步骤2中生长铟组分递减的第一势阱层包括：
在生长温度为700～800℃下，生长铟组分递减的差值范围为1%～15%、厚度为1～3nm的所述第一势阱层。
在第二个方面的第三种可能的实现方式中，所述步骤2中生长铟组分递增的第二势阱层包括：
在生长温度为700～800℃下，生长铟组分递增的差值范围为1%～15%、厚度为1～3nm的所述第二势阱层。
结合第二个方面、第二个方面的第一种、第二种或第三种中任一种可能的实现方式，在第二个方面的第四种可能的实现方式中，所述步骤2中，所述势垒层、所述第一势阱层以及所述第二势阱层为一组，交替生长周期为3～15组。
本发明实施例提供的LED多量子阱结构装置及生长方法，通过调整势阱中的铟组分合理有效的改变能带形状，在量子阱有源区两端形成两个复合中心，增加有源区中电子和空穴波函数的叠加重合区域，提高辐射复合效率，从而提高了LED的发光效率。另外，In组分的渐变能显著提高LED的波长稳定性等工作性能。因此，该多量子阱结构装置可运用于InGaN基蓝光和绿光LED，提高蓝光和绿光LED有源区的内量子阱效率，进而提高LED的发光效率。
附图说明
图1A为现有技术中传统量子阱的未考虑QCSE影响的能带图；
图1B为现有技术中传统量子阱的考虑QCSE影响的能带图；
图2为本发明实施例一提供的LED多量子阱结构装置的示意图；
图3A为图2所示LED多量子阱结构装置的未考虑QCSE影响的能带图；
图3B为图2所示LED多量子阱结构装置的考虑QCSE影响的能带图；
图4为本发明实施例二提供的LED多量子阱结构装置的外延生长方法的流程图；
图5为本发明实施例三提供的外延生长过程中LED多量子阱结构生长参数示意图；
图6为本发明实施例四提供的外延生长过程中LED多量子阱结构生长参数示意图；
图7为本发明实施例五提供的外延生长过程中LED多量子阱结构生长参数示意图；
图8为本发明LED多量子阱结构装置和传统多量子阱的激发强度对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明实施例一提供的LED多量子阱结构装置的示意图。如图2所示，具有双复合中心的LED多量子阱结构装置15，从下往上包括依次交替生长的势垒层15a、、铟组分递减的第一势阱层15b以及铟组分递增的第二势阱层15c，其中，交替生长周期大于等于三次。LED多量子阱结构装置15之下，从下到上依次为低温缓冲层11、非故意掺杂层12、n型掺杂层13以及量子阱过度层14；LED多量子阱结构装置15之上，从下到上依次为p型掺杂层16与金属接触层17。
请参照图2，本发明实施例提供的多量子阱结构装置15，通过调整第一势阱15b与第二势阱层15c中的In组分合理有效的改变能带形状，在量子阱有源区两端形成两个复合中心，增加了有源区中电子与空穴波函数的叠加重合区域，提高了辐射复合效率。具体的，请参照图3A与图3B，图3A为图2所示LED多量子阱结构装置的未考虑QCSE影响的能带图，图3B为图2所示LED多量子阱结构装置的考虑QCSE影响的能带图。
本发明实施例提供的多量子阱结构装置，通过调整势阱中的铟组分合理有效的改变能带形状，在量子阱有源区两端形成两个复合中心，增加有源区中电子和空穴波函数的叠加重合区域，提高辐射复合效率，从而提高了LED的发光效率。另外，In组分的渐变能显著提高LED的波长稳定性等工作性能。因此，该多量子阱结构装置可运用于InGaN基蓝光和绿光LED，提高蓝光和绿光LED有源区的内量子阱效率，进而提高LED的发光效率。
可选的，请参照图1，具有双复合中心的LED多量子阱结构装置15，其生长气氛例如为氮气（N2）气氛，生长压力为50～500托（Torr），势垒层15a例如可以为氮化镓（GaN），其厚度为5～20nm；第一势阱层15b例如可以为700～800℃下生长成的组分递减的铟氮化稼(InGaN)，其厚度为1～3nm，铟（In）组分递减的差值范围为1%～15%；第二势阱层15c例如可以为700～800℃下生长成的组分递增的InGaN，其厚度为1～3nm，铟In组分递曾的差值范围为1%～15%。
可选的，请参照图1，LED多量子阱结构装置15的势垒层15a、第一势阱层15b以及第二势阱层15c为一组，交替生长周期为3～15组。
图4为本发明实施例二提供的LED多量子阱结构装置的外延生长方法的流程图。具体的，本实施例包括如下步骤：
步骤1、在LED多量子阱结构装置之下从下往上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂层、n型掺杂层以及量子阱过度层；
步骤2、生长所述LED多量子阱结构装置，所述LED多量子阱结构装置包括能带能被调控的LED多量子阱结构，所述LED多量子阱结构从下往上依次交替生长势垒层、铟组分递减的第一势阱层以及铟组分递增的第二势阱层；
可选的，本步骤中，可以在生长温度为800～950℃下，生长厚度为5～20nm的势垒层，势垒层例如可以为GaN。
可选的，本步骤中，可以在生长温度为700～800℃下，生长In组分递减的差值范围为1%～15%、厚度为1～3nm的第一势阱层，第一势阱层例如可以为InGaN。
可选的，本步骤中，可以在生长温度为700～800℃下，生长In组分递增的差值范围为1%～15%、厚度为1～3nm的第二势阱层，第二势阱层例如为可以为InGaN。
可选的，本步骤中，第一势阱层、第二势阱层以及势垒层的交替生长周期为3～15。
步骤3、在所述LED多量子阱结构装置之上从下往上依次生长p型掺杂层与金属接触层。
本发明实施例提供的LED多量子阱结构装置的外延生长方法，在生长LED多量子阱结构的外延的过程中，通过调整势阱中的铟组分合理有效的改变能带形状，在量子阱有源区两端形成两个复合中心，增加有源区中电子和空穴波函数的叠加重合区域，提高辐射复合效率，从而提高了LED的发光效率。另外，In组分的渐变能显著提高LED的波长稳定性等工作性能。因此，该多量子阱结构装置可运用于InGaN基蓝光和绿光LED，提高蓝光和绿光LED有源区的内量子阱效率，进而提高LED的发光效率。
一般来说，由于温度的变化可引发In组分的变化、镓源流量的变化可以引发In组分的变化、铟源流量的变化可以引发In组分的变化。因此，可通过调节温度、镓源流量、铟源流量来调整势阱中的In组分。下面，用几个具体的实施例来说明。
在本发明实施例三提供的生长高亮度氮化镓LED外延片的过程中，通过调节温度来调整势阱中的In组分，具体可参见图5，图5为本发明实施例三提供的外延生长过程中LED多量子阱结构生长参数示意图。
具体的，本实施例采用的设备为美国维易科(VEECO)厂商提供的K465i金属有机化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）设备，采用高纯氢气H2、高纯N2或高纯H2/N2混气做载气，高纯氨（NH3）做N源，金属有机物三甲基镓（TMGa）或三乙基镓（TEGa）做镓源，三甲基铟做铟源，N型掺杂剂为200ppm硅烷（SiH4），P型掺杂剂为二茂镁（Cp2Mg），衬底为002面的蓝宝石PSS。该生长过程中LED多量子阱结构生长参数示意图5所示。具体的，本实施例的生长方式如下：
步骤1、在LED多量子阱结构装置之下从下往上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂层、n型掺杂层以及量子阱过度层。
具体的，该步骤包括如下子步骤：
步骤1.1、MOCVD反应室温度升至1080℃，在200Torr压力下，高温处理5分钟。
步骤1.2、降温到530℃，在200Torr压力下，生长35nm低温缓冲层。
步骤1.3、升温到1080℃，在200Torr压力下，生长1.7μm非故意掺杂层。
步骤1.4、、降温到1070℃，在200Torr压力下，生长3.2μm的N型掺杂层，其中N掺杂浓度为5E+18atom/cm3。
步骤1.5、降温到850℃，在200Torr压力下，生长300nm量子阱过渡层，其中N掺杂浓度为8E+17atom/cm3，In组分为多量子阱层的30%。
步骤2、生长LED多量子阱结构装置，LED多量子阱结构装置包括能带能被调控的LED多量子阱结构，LED多量子阱结构从下往上依次交替生长势垒层、铟组分递减的第一势阱层以及铟组分递增的第二势阱层。
具体的，该步骤包括如下子步骤：
步骤2.1a、升温到870℃，在200Torr压力下，生长13.5nm的势垒层。
步骤2.2a、降温到760℃，在200Torr压力下，TMIn流量400sccm，TEGa流量180sccm，温度由760℃渐变Ramp到770℃，生长1.75nm的第一势阱层。
步骤2.3a、维持其它条件不变，生长温度由770℃渐变Ramp到760℃，生长1.75nm的第二势阱层。
步骤2.4a、重复步骤2.1～2.3，例如重复11次。
步骤3、在LED多量子阱结构装置之上从下往上依次生长p型掺杂层与金属接触层。
具体的，该步骤包括如下子步骤：
步骤3.1、升温到870℃，在200Torr压力下，生长13.5nm的最后垒层。
步骤3.2、升温到980℃，在200Torr压力下，生长250nm的P型掺杂层。
步骤3.3、降温到750℃，在200Torr压力下，生长2nm的金属接触层，并维持10min，做最后退火处理。
在本发明实施例四提供的生长高亮度氮化镓LED外延片的过程中，通过调节镓源流量来调整势阱中的In组分，具体可参见图6，图6为本发明实施例四提供的外延生长过程中LED多量子阱结构生长参数示意图。
较于上述实施例三，本实施例的步骤1与步骤3实施例三的过程相同，此处不再赘述。本实施例与实施例三的差异之处在于步骤2，具体的，本实施例中，步骤2具体包括如下子步骤：
步骤2.1b、升温到870℃，在200Torr压力下，生长13.5nm的势垒层。
步骤2.2b、降温到760℃并保持温度恒定，在200Torr压力下，TMIn流量400sccm，TEGa流量由140sccm渐变Ramp到220sccm，生长1.75nm的第一势阱层。
步骤2.3b、维持其它条件不变，TEGa流量由220sccm渐变Ramp到140sccm，生长1.75nm的第二势阱层。
步骤2.4b、重复步骤2.1～2.3，例如重复11次。
在本发明实施例五提供的生长高亮度氮化镓LED外延片的过程中，通过调节铟源流量来调整势阱中的In组分，具体可参见图7，图7为本发明实施例五提供的外延生长过程中LED多量子阱结构生长参数示意图。
较于上述实施例三，本实施例的步骤1与步骤3实施例三的过程相同，此处不再赘述。本实施例与实施例三的差异之处在于步骤2，具体的，本实施例中，步骤2具体包括如下子步骤：
步骤2.1c、升温到870℃，在200Torr压力下，生长13.5nm的势垒层。
步骤2.2c、降温到760℃并保持温度恒定，在200Torr压力下，TEGa流量180sccm，TMIn流量由420sccm渐变Ramp到380sccm，生长1.75nm的第一势阱层。
步骤2.3c、维持其它条件不变，TMIn流量由380sccm渐变Ramp到420sccm，生长1.75nm的第二势阱层。
步骤2.4c、重复步骤2.1～2.3，例如重复11次。
图8为本发明LED多量子阱结构装置和传统多量子阱的激发强度对比图，其中，横坐标为数量，纵坐标为发光强度，灰色曲线表示传统多量子阱的激发强度，黑色曲线表示发明LED多量子阱结构装置的激发强度。请参照图8，当数量相同时，本发明实施例提供的LED多量子阱结构装置的激发强度高于传统多量子阱结构的激发强度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种LED多量子阱结构装置，其特征在于，包括：
能带能被调控的LED多量子阱结构，所述LED多量子阱结构从下往上包括依次交替生长的势垒层、铟组分递减的第一势阱层以及铟组分递增的第二势阱层。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述势垒层的厚度为5～20nm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一势阱层的厚度为1～3nm，所述第一势阱层中铟组分递减的差值范围为1%～15%。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二势阱层的厚度为1～3nm，所述第二势阱层中铟组分递增的差值范围为1%～15%。
5.根据权利要求1～4任一项所述的装置，其特征在于，所述势垒层、所述第一势阱层以及所述第二势阱层为一组，交替生长周期为3～15组。
6.一种LED多量子阱结构装置的外延生长方法，其特征在于，包括：
步骤1、在LED多量子阱结构装置之下从下往上依次生长低温缓冲层、非故意掺杂层、n型掺杂层以及量子阱过度层；
步骤2、生长所述LED多量子阱结构装置，所述LED多量子阱结构装置包括能带能被调控的LED多量子阱结构，所述LED多量子阱结构从下往上依次交替生长势垒层、铟组分递减的第一势阱层以及铟组分递增的第二势阱层；
步骤3、在所述LED多量子阱结构装置之上从下往上依次生长p型掺杂层与金属接触层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2中生长势垒层包括：在生长温度为800～950℃下，生长厚度为5～20nm的所述势垒层。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2中生长铟组分递减的第一势阱层包括：
在生长温度为700～800℃下，生长铟组分递减的差值范围为1%～15%、厚度为1～3nm的所述第一势阱层。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤2中生长铟组分递增的第二势阱层包括：
在生长温度为700～800℃下，生长铟组分递增的差值范围为1%～15%、厚度为1～3nm的所述第二势阱层。
10.根据权利要求6～9任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述势垒层、所述第一势阱层以及所述第二势阱层为一组，交替生长周期为3～15组。
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