一种量子阱结构的制作方法

本实用新型涉及一种能够降低外延片内应力的量子阱结构，属于LED外延生长技术领域。

背景技术：

以GaN为基础的发光二极管(LED)作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性等优点，正在迅速被广泛地应用于交通信号灯、手机背光源、户外全彩显示屏、城市景观照明、汽车内外灯、隧道灯等领域。因此LED的各方面性能提升都被业界重点关注，作为核心半导体器件的GaN基蓝光LED能与荧光粉结合制造白光，在照明方面有很大的吸引力，并且逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在短波长发光器件、光探测器件以及大功率器件方面也有着广泛的应用和巨大的市场前景。

外延结构的生长是LED芯片的关键技术，而如何能降低内应力、提高发光效率，是外延结构生长的一个技术难题。在GaN基LED外延层制备方面，量子阱的特性是影响LED内应力和光学性能的一个重要因素，LED是利用注入的电子空穴在夹于n-型掺杂区和p-型掺杂区的有源区进行辐射复合发光的，电流注入效率越高，电子空穴辐射复合几率越大，LED发光效率越高。根据理论分析：垒层掺In与常规量子阱结构的能带图相比，由能带理论分析得到垒层掺In使量子阱的能带弯曲减少、量子限制斯塔克效应减弱、电子阻挡层的电子阻挡效率提高、量子阱的空穴注入效率增加、电子与空穴的空间波函数交叠增加等，这些都对LED发光效率提高起到积极的作用。经过试验表明，使用InGaN材料来生长量子垒结构，有源区材料界面质量明显得到改善，样品中V坑的数目及相应的错位减少，并且利用InGaN做垒的样品光致发光的峰值强度增强、峰位蓝移，InGaN垒样品的droop现象得到较大的改善。这表明阱垒之间的应力减小，降低了由此产生的压电电场，增大了载流子的复合几率，提高了量子效率。目前国内MOCVD生长LED外延层中涉及到量子阱结构设计基本为量子垒和量子阱交替结构，且能带图通常为锯齿状，其中量子垒的材料组分禁带宽度大于量子阱的材料组分禁带宽度，电子和空穴在外加电场的作用下通过垒层到达阱层的时候发生复合发光。由于InGaN和GaN材料的晶格适配诱发的极化电场存在，导致量子阱结构能带发生倾斜而增加了价带载流子的势垒高度。

中国专利文献CN104638073A公开了一种光电器件的量子阱结构，提出了一种以AlInGaN为垒，以In和Al组分渐变的垒层结构替代传统量子阱结构的垒层结构设计，这种设计虽然可以提高LED发光效率，同时有效阻挡电子向P层迁移，减小极化电场的影响。

中国专利文献CN102867896A公开了一种LED外延结构及其制备方法，该LED外延结构包括：衬底，衬底上由下至上依次设置有GaN成核层或AlN成核层、非故意掺杂的GaN缓冲层和n型掺杂的GaN层，n型掺杂的GaN层的表面由下至上依次生长有多量子阱发光层和p型掺杂的GaN层且三者在三维空间内均呈周期排列的凹凸结构。该制备方法包括步骤：选择一衬底并采用MOCVD方法在衬底上依次生长GaN成核层或AlN成核层、非故意掺杂的GaN缓冲层以及n型掺杂的GaN层；利用光刻和刻蚀方法在n型掺杂的GaN层的表面刻出在三维空间内呈周期排列的凹凸结构，再利用MOCVD方法在其上生长多量子阱发光层及p型掺杂的GaN层。

但是，上述两篇专利文献中，因Al组分的加入会导致量子阱的晶体质量降低，加重与GaN材料的晶格不适配问题，对降低阱垒之间的应力效果不明显。

技术实现要素：

针对现有外延片生长工艺制备出来的晶片内应力大、整体均匀性以及晶体质量适配度差、发光效率低的不足，本实用新型提供了一种量子阱结构；

本实用新型还提供了一种LED外延结构；

采用本实用新型可以将样品量子阱的能带图由锯齿形转变为三角形，能够大大提高内量子效率、显著降低外延片内应力、提高外延晶体质量、增强器件发光效率。

本实用新型的技术方案为：

一种量子阱结构，包括多个量子阱单元，所述量子阱单元包括由下至上依次设置InGaN浅垒层、GaN量子垒层、第一InGaN浅阱层、InGaN量子阱层、第二InGaN浅阱层。

传统的量子阱结构中，量子垒层材料为GaN，量子阱层材料为InGaN，两层交替生长时由于InGaN和GaN材料的晶格适配诱发的极化电场存在，导致外延结构内应力增大，晶体质量差等缺陷，而本实用新型所设计的量子阱结构中，量子垒层包括通低流量TMIn源的InGaN浅垒层、不通TMIn源的GaN量子垒层，量子垒层包括通低流量TMIn源的第一InGaN浅阱层、通正常流量TMIn源的InGaN量子阱层、通低流量TMIn源的第二InGaN浅阱层，本实用新型设计的量子阱结构增加了通低流量TMIn源的InGaN浅垒层，使得量子垒层与量子阱层之间晶格适配度增加，减少内应力的产生。

根据本实用新型优选的，所述量子阱单元的厚度为0.12-0.3μm；所述InGaN浅垒层的厚度为0.06-0.15μm；所述GaN量子垒层的厚度为0.01-0.02μm；所述第一InGaN浅阱层的厚度为0.02-0.04μm；所述InGaN量子阱层的厚度为0.01-0.05μm；所述第二InGaN浅阱层的厚度为0.02-0.04μm；所述量子阱结构包括12-16个所述量子阱单元。

一种LED外延结构，包括由上至下依次设置的衬底、N型GaN层、所述量子阱结构、P型GaN层。

根据本实用新型优选的，所述N型GaN层的厚度为3-4μm，所述P型GaN层的厚度为60-120nm。

上述LED外延结构的生长方法，包括采用MOCVD方法在衬底上生长外延层，具体步骤包括：

(1)在所述衬底上生长所述N型GaN层；

(2)在所述N型GaN层上周期性生长所述量子阱结构，具体包括：

①调节温度至800-950℃，通入150-200sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，在所述N型GaN层上生长所述InGaN浅垒层；

②维持在所述InGaN浅垒层的温度，通入25-40sccm的TMGa源，在所述InGaN浅垒层上生长所述GaN量子垒层；

③温度降至750-900℃，通入350-450sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，在所述GaN量子垒层上生长所述第一InGaN浅阱层；

④维持在所述第一InGaN浅阱层的温度，通入600-750sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，在所述第一InGaN浅阱层上生长所述InGaN量子阱层；

⑤维持在所述第一InGaN浅阱层的温度，通入350-450sccm的TMIn源和25-40sccm的TMGa源，在所述InGaN量子阱层上生长所述第二InGaN浅阱层；

(3)在所述量子阱结构上生长所述P型GaN层。

常规的量子阱结构生长方法为：在一定温度生长量子阱层，材料为InGaN，然后，升温生长量子垒层，材料为GaN，与常规的量子阱结构生长方法相比，本实用新型主要是通过控制TMIn源的流量变化、温度优化等来降低内应力和极化效应，提升内量子效率。

所述步骤①中，调节温度至830-900℃，通入160-180sccm的TMIn源；

所述步骤③中，温度降至780-840℃，通入370-420sccm的TMIn源；

所述步骤④中，通入640-700sccm的TMIn源；

所述步骤⑤中，通入370-420sccm的TMIn源；

所述步骤①中，调节温度至850℃，通入170sccm的TMIn源；

所述步骤③中，温度降至800℃，通入400sccm的TMIn源；

所述步骤④中，通入680sccm的TMIn源；

所述步骤⑤中，通入400sccm的TMIn源；

在步骤(1)之前，清洁所述衬底表面：将所述衬底放进MOCVD设备的反应腔内，调节反应腔的压力为90-200mbar，温度为1150-1250℃，使用氢气作为载气进行衬底表面清洁，持续时间为8-12min；

所述步骤(1)中，具体步骤包括：将反应腔压力增加至300-800mbar，在所述衬底上生长所述N型GaN层。

所述步骤(3)中，具体步骤包括：调节温度为600-700℃，调节压力为300-800mbar，通入55000-65000sccm的NH₃，通入25-50sccm的TMGa源，通入2000-3000sccm的Cp2Mg源，在所述量子阱结构上生长所述P型GaN层；Mg的掺杂浓度为1E+19-1E+20atom/cm³。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型将量子阱结构设计成由通低流量TMIn源的浅垒层(其材料为InGaN)、不通TMIn源的量子垒层(其材料为GaN)、通低流量TMIn源的浅阱层(其材料为InGaN)、通正常流量TMIn源的量子阱层(其材料为InGaN)、通低流量TMIn源的浅阱层(其材料为InGaN)组成的五层结构组成，通过这种结构设计以及对TMIn源流量的变化控制和对生长温度的优化，量子阱的能带图由锯齿型转变为三角形，可以大幅增加每个量子阱层的电子或空穴的俘获效率，使外延片内应力降低10％以上，外延晶体发光效率提升9％左右。

附图说明

图1是本实用新型所述LED外延结构的示意图。

图2是本实用新型所述量子阱结构的示意图。

图3是常规量子阱结构的示意图。

图4是本实用新型的量子阱结构能带示意图。

图5是常规量子阱结构能带示意图。

1、衬底；2、N型GaN层；3、量子阱结构；4、P型GaN层；5、InGaN浅垒层；6、GaN量子垒层；7、第一InGaN浅阱层；8、InGaN量子阱层；9、第二InGaN浅阱层；10、量子阱单元；11、量子阱层；12、量子垒层。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本实用新型作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种量子阱结构,包括多个量子阱单元10，所述量子阱单元10包括由下至上依次设置InGaN浅垒层5、GaN量子垒层6、第一InGaN浅阱层7、InGaN量子阱层8、第二InGaN浅阱层9。如图2所示。

量子阱单元10的厚度为0.12μm；InGaN浅垒层5的厚度为0.06μm；GaN量子垒层6的厚度为0.01μm；第一InGaN浅阱层7的厚度为0.02μm；InGaN量子阱层8的厚度为0.01μm；第二InGaN浅阱层9的厚度为0.02μm；量子阱结构3包括16个所述量子阱单元10。

常规量子阱结构中，量子垒层12材料为GaN，量子阱层11材料为InGaN，两层交替生长，如图3所示，由于InGaN和GaN材料的晶格适配诱发的极化电场存在，导致外延结构内应力增大，晶体质量差等缺陷，而本实用新型所设计的量子阱结构中，量子垒层包括通低流量TMIn源的InGaN浅垒层5、不通TMIn源的GaN量子垒层6，量子垒层包括通低流量TMIn源的第一InGaN浅阱层7、通正常流量TMIn源的InGaN量子阱层8、通低流量TMIn源的第二InGaN浅阱层9，本实用新型设计的量子阱结构增加了通低流量TMIn源的第一InGaN浅阱层7及第二InGaN浅阱层9，使得量子垒层与量子阱层之间晶格适配度增加，减少内应力的产生。

本实用新型的量子阱结构能带示意图如图4所示；常规量子阱结构能带示意图如5所示。常规量子阱结构能带为锯齿型，本实用新型的量子阱结构能带为三角形。

实施例2

根据实施例1所述的一种量子阱结构,其区别在于，量子阱单元10的厚度为0.3μm；InGaN浅垒层5的厚度为0.15μm；GaN量子垒层6的厚度为0.02μm；第一InGaN浅阱层7的厚度为0.04μm；InGaN量子阱层8的厚度为0.05μm；第二InGaN浅阱层9的厚度为0.04μm；量子阱结构3包括12个所述量子阱单元10。

实施例3

一种LED外延结构，包括由上至下依次设置的衬底1、N型GaN层2、实施例1所述量子阱结构3、P型GaN层4。N型GaN层2的厚度为3μm，P型GaN层4的厚度为60nm。衬底1为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，衬底1的厚度为200μm。如图1所示。

本实用新型所述LED外延结构为样品1，常规外延结构为样品2，样品1与样品2的亮度对比如表1所示：

表1

通过将两组光功率数据对比，样品1的光效比样品2高出9％左右。

实施例4

一种LED外延结构，包括由上至下依次设置的衬底1、N型GaN层2、实施例2所述量子阱结构3、P型GaN层4。N型GaN层2的厚度为4μm，P型GaN层4的厚度为120nm，衬底1为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或硅衬底，衬底1的厚度为1000μm。