一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构

摘要

本发明涉及三族氮化物半导体光电子材料领域，提出了一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其下方第一应变减少层，以及紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其上方的第二应变减少层，所述第一应变减少层和第二应变减少层为In组分低于10%的InGaN层，所述中间垒层包括应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于所述底垒层和顶垒层的垒层。本发明为为提升GaN基蓝绿光LED及激光器效率提供了一种新型的有源区结构。

说明书

技术领域

本发明涉及三族氮化物半导体光电子材料领域，特别涉及一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构。

背景技术

量子阱的发明是半导体材料发展史上具有里程碑意义的重大突破。量子阱概念的提出始于1963年阿尔费罗夫及克洛默提出的双异质结，随后，1970年，利用此双异质结构，第一台室温连续发射的半导体激光器问世。同年，江琦和朱兆祥提出的超晶格的概念，他们设想如果用两种晶格匹配很好的材料交替地生长周期性结构，每层材料的厚度在100nm以下，则电子沿生长方向的运动将会产生振荡，可用于制造微波器件。1972年，Charles H.Henry在研究双异质结的光限制结构时，意识到双异质结同时也是载流子限制结构，经过理论计算发现，当双异质结构的有源层厚度降低到100nm以下时，会产生量子限制效应。1973年，W. Wiegmann首次利用分子束外延技术制备出了量子阱结构。1975年，贝尔实验室制备出了首台量子阱激光器。之后，量子阱结构在半导体激光器、LED、探测器等光电子器件中获得了广泛的应用。

量子阱结构最典型的应用就是作为半导体激光器及LED的有源区。其中InGaN/GaN多量子阱作为量子阱家族的新成员，在GaN基蓝绿光LED及激光器中获得了巨大成功，为世界照明及显示市场带来了革命性的变化。但InGaN/GaN量子阱本身也存在固有的限制，当发光波长向长波长方向移动时，随着In组分的提高，InGaN阱层与GaN垒层之间的晶格失配迅速增大，InGaN阱层中压应变迅速提高，导致阱层中的出现强极化效应，并产生大量失配位错。强极化效应使得量子阱能带倾斜，电子与空穴波函数空间分离，导致辐射复合效率大幅度降低，而大量失配位错意味着大量的非辐射复合中心。强极化效应及高位错密度极大地限制了InGaN/GaN多量子阱内量子效率的提高，也就限制了GaN基LED及激光器性能的提升。此外，量子阱层中的应力会穿透GaN垒层向上传递，导致InGaN阱层中的内应力逐层增加，导致极化效应及位错密度进一步增加。可以看出，InGaN/GaN多量子阱中存在的问题均与应变有关，要解决以上问题，关键就在于对InGaN/GaN多量子阱中的应变进行调制。

发明内容

本发明针对InGaN/GaN多量子阱中强极化效应及高缺陷密度的缺点，所要解决的技术问题为：提供一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，为提升GaN基蓝绿光LED及激光器效率提供了一种新型的有源区结构。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，还包括紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其下方的第一应变减少层，以及紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其上方的第二应变减少层，所述第一应变减少层和第二应变减少层为In组分低于10%的InGaN层，所述中间垒层包括应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于所述底垒层和顶垒层的垒层。

所述中间垒层还包括紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层。

应变补偿层的材料为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，或者任意几种的组合。

所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。

所述顶垒层和底垒层包括GaN垒层和设置在GaN垒层中间的应变补偿层。

所述含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构的发光波长为蓝绿光到黄绿光波段范围内的任一波长。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

(1)降低了InGaN量子阱的内应变，削弱了压电极化效应：第一应变减少层与第二应变减少层均为In组分低于10%的InGaN层，其晶格常数介于InGaN量子阱层与GaN垒层之间，能够有效缓冲InGaN阱层与GaN垒层之间的晶格失配，从而降低了InGaN量子阱层的内应变。随着内应变的降低，由应变导致的压电极化效应也随之减弱；

(2)降低了阱垒界面的失配位错密度：由于第一应变减少层与第二应变减少层缓冲了阱层与垒层之间的晶格失配，故阱垒界面处的失配位错密度也明显降低；

(3)消除了InGaN/GaN多量子阱结构中的应力积累：应变补偿结构处于垒层之中，由于应变补偿层晶格常数小于GaN垒层，处于张应变状态，能够有效隔离各层量子阱之间的应变耦合，防止应力向上传递，消除多量子阱结构的应力积累。

附图说明

图1为本发明实施例提出的含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构示意图；

图2为本发明另一实施例提出的含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构示意图；

图3本发明提出的含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构应用在绿光激光器外延结构上时的示意图；

图4为本发明提出的含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构应用在GaN基绿光LED外延结构上时的示意图。

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的一部分实施例，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作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。

本发明针对InGaN/GaN多量子阱中强极化效应、高缺陷密度及应力积累的问题，在InGaN/GaN多量子阱中引入了应变调制结构(包括应变减少结构及应变补偿结构)，提供了一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，为提升GaN基蓝绿光LED及激光器效率提供了一种新型的有源区结构。

如图1所示，为本发明实施例提出的含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构示意图，如图1所示，该InGaN/GaN多量子阱为一种多周期性结构，图中n表示量子阱的周期数，每个周期由下而上包括第一应变减少层、InGaN量子阱和第二应变减少层，每个周期性结构之间设置有中间垒层，整个周期的底部和顶部分别设置有底垒层和顶垒层；也就是说，该InGaN/GaN多量子阱包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子阱层和设置在各个InGaN量子阱层之间的中间垒层，还包括紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其下方第一应变减少层，以及紧邻所述InGaN量子阱层并设置在其上方的第二应变减少层。

其中，本实施例中，所述第一应变减少层和第二应变减少层为In组分低于10%的InGaN层，所述中间垒层包括应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于所述底垒层和顶垒层的垒层，具体地，应变补偿层的材料可以为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，或者任意几种的组合。

具体地，所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。

本实施例中，第一应变减少层与第二应变减少层的均为In组分的低于10%的InGaN层，其晶格常数介于InGaN量子阱层与GaN垒层之间，能够有效缓冲InGaN阱层与GaN垒层之间的晶格失配，从而降低了InGaN量子阱层的内应变。随着内应变的降低，由应变导致的压电极化效应也随之减弱；由于第一应变减少层与第二应变减少层缓冲了阱层与垒层之间的晶格失配，故阱垒界面处的失配位错密度也明显降低；此外，还消除了InGaN/GaN多量子阱结构中的应力积累：应变补偿结构处于垒层之中，由于应变补偿层晶格常数小于GaN垒层，处于张应变状态，能够有效隔离各层量子阱之间的应变耦合，防止应力向上传递，消除多量子阱结构的应力积累。

如图2所示，为本发明另一实施例提出的含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构示意图，本实施例的结构与前一实施例的区别在于，每个周期性结构之间设置的中间垒层的结构不同，本实施例中，中间垒层除了应变补偿层，还包括紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层。

其中，本实施例中，所述第一应变减少层和第二应变减少层为In组分低于10%的InGaN层，具体地，应变补偿层的材料可以为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，也可以为这三种材料中任意几种的组合。

具体地，所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。此外，本实施例中，所述顶垒层和底垒层的结构也可以和中间垒层一样，即其可以包括应变补偿层和紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层。

此外，本发明实施例提出的含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，其发光波长为蓝绿光到黄绿光波段范围内的任一波长，具体可以通过改变量子阱中In组分来实现波长的移动。

本发明所提供的InGaN/GaN多量子阱结构可以作为蓝光、绿光及黄绿光激光器的有源区，波长移动可以通过改变阱层的In组分来实现。下面以绿光激光器为例来说明本发明所提供的多量子阱结构用作半导体激光器有源区的具体实施方式。所述绿光激光器外延结构如图3所示，由下而上包括：n-GaN衬底、n-GaN缓冲层、n-AlGaN下限制层、n-InGaN下波导层、含有应变调制结构的量子阱有源层、p-AlGaN电子阻挡层、p-InGaN上波导层、p-AlGaN上限制层、p-GaN接触层。具体制备流程如下：

(1)将GaN衬底放入MOCVD反应腔，通入氢气作为载气，升高温度至1130ºC对衬底表面的氧化层及杂质进行高温清洗；

(2)降低温度至1070ºC，通入氨气，对衬底表面进行氮化3分钟；

(3)通入三甲基镓(TMGa)及Si掺杂源，生长n-GaN缓冲层，完成后切断TMGa及Si掺杂源供应；

(4)升高温度至1100ºC，通入TMGa、三甲基铝(TMAl)及Si掺杂源，生长n-AlGaN下限制层；

(5)降温至860ºC，同时切换至氢氮混合气氛，待温度稳定后，通入TMGa、三甲基铟(TMIn)及Si掺杂源，生长n-InGaN下波导层，完成后切断TMIn及Si掺杂源供应；

(6)同样温度下，切换至氮气气氛，通入TEGa源，生长第一次GaN垒层，完成后切断TEGa源供应；

(7)降低温度至720ºC，待温度稳定后，通入TMIn与TEGa，生长第一应变减少层；

(8)同样在温度下，提高TMIn流量，生长InGaN量子阱层；

(9)同样在720 ºC下，降低TMIn流量，生长InGaN第二应变减少层，完成后切断TMIn供应；

(10)同样在720ºC下，生长GaN低温盖层，以避免下一步升温时，InGaN量子阱层及应变减少层组分发生不可控的变化，完成后切断TEGa供应；

(11)升温至860ºC，待温度稳定后，通入TEGa源，生长GaN垒层；

(12)同样在860 ºC下，通入TMAl与TEGa源，生长AlGaN应变补偿层，完成后切断TMAl源供应；

(13)同样在860 ºC下，生长GaN垒层，形成GaN/应变补偿层/GaN三明治结构的垒层，完成后切断TEGa源供应；

(14)重复步骤(7)~(13)n次，形成n周期量子阱有源区；

(15)升高温度至910ºC，同时将载气由氮气切换为氢气，待温度稳定后，通入TMAl、TMGa及Mg掺杂源，生长p-AlGaN电子阻挡层，完成后切断TMAl、TMGa及Mg掺杂源供应；

(16)降低温度至860ºC，切换至氢氮混合气氛，温度稳定后，通入TMGa、TMIn及Mg掺杂源，生长p-InGaN上波导层，完成后切断TMGa、TMIn及Mg掺杂源供应；

(17)升高温度至910 ºC，同时切换至氢气气氛，温度稳定后，通入TMGa、TMAl及Mg掺杂源，生长p-AlGaN上限制层，完成后切断TMAl源供应；

(18)在同样的温度下，生长p-GaN接触层，通过增加Mg掺杂源的流量来提高掺杂浓度，完成后切断TMGa与Mg掺杂源供应；

(19)降低温度至750ºC，切断氨气供应，同时将载气由氢气切换至氮气，退火15分钟，以激活p-GaN中的Mg掺杂原子。

(20)降温至室温，完成生长。

此外，本发明所提供的多量子阱结构还可以用作GaN基LED的有源区，下面以GaN基绿光LED为例来阐述其实施方式。所述GaN基绿光LED外延结构如附图4所示，由下而上包括蓝宝石衬底、GaN低温形核层、u-GaN、n-GaN、应变减少层3、含有应变调制结构的量子阱有源区、p-AlGaN电子阻挡层、p-GaN，具体制备流程如下：

(1)将蓝宝石衬底放入MOCVD反应腔，通入氢气作为载气，升高温度至1125 ºC对衬底表面的氧化层及杂质进行高温清洗；

(2)降低温度至530 ºC，通入氨气，对衬底表面进行氮化5分钟；

(3)通入三甲基镓(TMGa)，生长25nm的GaN低温形核层，完成后切断TMGa供应；

(4)升高温度至1075 ºC，对GaN低温形核层进行高温退火，以形成尺寸及分布均匀的GaN形核岛；

(5)降温至1040 ºC，待温度稳定后，通入TMGa，开始u-GaN三维生长阶段，直至GaN合并形成薄膜；

(6)升高温度至1070 ºC，进入u-GaN二维生长阶段，生长2μm厚的u-GaN；

(7)升高温度至1080ºC，通入Si掺杂源(硅烷或乙硅烷)生长1μm厚的n-GaN，完成后停止Si掺杂源及TMGa供应；

(8)降温至860ºC，同时将载气由氢气切换至氮气，通入三乙基镓(TEGa)与三甲基铟(TMIn)生长应变减少层3，完成后切断TMIn的供应；

(9)在同样的生长温度下，生长第一层GaN垒层，厚度35nm，完成后切断TEGa供应；

(10)降温至710ºC，待温度稳定后，通入TMIn与TEGa，生长第一应变减少层；

(11)同样在710 ºC下，提高TMIn流量，生长InGaN量子阱层；

(12)同样在710 ºC下，降低TMIn流量，生长InGaN第二应变减少层，完成后切断TMIn供应；

(13)同样在710ºC下，生长GaN低温盖层，以避免下一步升温时，InGaN量子阱层及应变减少层组分发生不可控的变化，完成后切断TEGa供应；

(14)升温至860ºC，待温度稳定后，通入TEGa源，生长GaN垒层；

(15)同样在860 ºC下，通入三甲基铝(TMAl)与TEGa源，生长AlGaN应变补偿层，完成后切断TMAl源供应；

(16)同样在860 ºC下，生长GaN垒层，形成GaN/应变补偿层/GaN三明治结构的垒层，完成后切断TEGa源供应；

(17)重复步骤(10)~(16)n次，形成n周期量子阱有源区；

(18)升高温度至940ºC，同时将载气由氮气切换为氢气，待温度稳定后，通入TMAl、TMGa及Mg掺杂源，生长p-AlGaN电子阻挡层，完成后切断TMAl供应；

(19)在同样的温度下，生长p-GaN接触层，通过增加Mg掺杂源的流量来提高掺杂浓度，完成后切断TMGa与Mg掺杂源供应；

(20)降低温度至750ºC，切断氨气供应，同时将载气由氢气切换至氮气，退火15分钟，以激活p-GaN中的Mg掺杂原子。

(21)降温至室温，完成生长。

本发明针对InGaN/GaN多量子阱中强极化效应、高缺陷密度及应力积累的问题，在InGaN/GaN多量子阱中引入了应变调制结构(包括应变减少结构及应变补偿结构)，提供了一种含有应变调制结构的InGaN/GaN多量子阱结构，为提升GaN基蓝绿光LED及激光器效率提供了一种新型的有源区结构。

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。