一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统

1.本发明属于半导体发光器件技术领域，尤其涉及一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统。


背景技术：

2.基于ingan材料的白光led是目前照明市场应用的主流产品，其具有高效、节能环保、可靠性高、体积小、无污染等优势，被誉为第四代照明光源，巨大的市场前景吸引了产业界和学术界极大关注。目前，利用ingan.材料获得白光有两种方案:一是采用ingan蓝光芯片加yag荧光粉转换制成白光led，这种方案虽然技术成熟、内量子效率高，但是，由于荧光粉非辐射复合的特点使得采用荧光粉转换方法得到的白光led的发光效率很难突破2001m/w。另一种非常有潜力的方案是rgb三基色混合获得白光，这种方案由于发光过程中没有荧光粉的参与，使得它的发光效率的极限值能够超过2501m/w，这也是未来白光led照明发展的必然趋势。不管是现在主流的白光方案,还是未来led方案，ingan材料都是最重要的选择。
3.半导体发光器件由于体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低等特点，在照明、显示、激光通信、光存储等军事和民用领域有着广泛应用。目前，高质量半导体发光芯片材料多采用分子束外延(mbe)、金属有机化学气相沉积(mocvd)方法外延制备。尽管半导体发光材料的外延技术已经取得很大进展，但半导体发光器件仍存在发光效率低以及“效率下垂”等瓶颈问题，制约了其在相关领域的应用。
4.虽然效率下降的真正原因尚未明确，但俄歇复合、电子泄漏和载流子解局域被认为是效率下降的机制。此外，ingan多量子阱中的极化诱导内电场对效率下降有很大影响。随着内部电场强度的增加，电子从mqw到p-gan层的漏失增加，并且空穴注入到mqw有源区，效率日益低下，加剧了效率下降问题。另外，内部电场增加了俄歇复合速率，这也导致了效率下降。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)现有半导体发光器件仍存在发光效率低的问题，严重限制了其性能的提高，制约了其在相关领域的应用。
7.(2)gan基材料中的缺陷与in的含量紧密相关，in含量越高，缺陷密度也越大。降低in含量的有效方法是降低温度，但是降低温度会引起晶格缺陷，对发光效率有严重影响。
8.由于缺乏合适的衬底材料，ingan/gan材料生长过程大多采用异质外延，这导致材料种存在大量的应变缺陷，导致材料中产生了强大的压电场，引起了量子限制斯塔克效应(qcse)。
9.由于半导体材料表面的界面态、杂质玷污或应变的影响，在谐振腔面附近光吸收产生的电子-空穴对发生非辐射复合，造成较大的能量损耗，降低了器件的发光效率，进而影响器件的输出性能。
10.解决以上问题及缺陷的难度为：
11.科研人员通过对材料光致发光光谱(pl)研究材料缺陷对发光的影响，发现pl中存在明显的多峰现象，即存在缺陷发光的现象。但是这种研究方法只停留在多峰中的高能峰与带间复合有关、低能峰源于各种缺陷态上，多峰背后更复杂的原因却模糊不清。
12.铟的掺入量随生长温度的变化非常敏感，bedair等在研究中发现，in脱离晶格的速率会随着温度的增加呈指数升高，所以，增加ingan中in的组分，最有效地方法就是降低生长温度。但是，降低生长温度也会给材料中引入大量微区缺陷，比如螺纹位错、v缺陷、in聚集、n空位增多、炭污染严重等，最终导致晶格质量降低，发光效率下降。
13.在ingan/gan量子阱(qw)中的自发极化和压电极化引起的电场可以达到mv/cm量级，对材料器件性能会产生重要影响。随着in组分的增加，量子阱中量子限制斯塔克效应(qcse)更加严重，为了克服qcse的影响，科研人员采取了多种方法，比如非极性/半极性量子阱的生长、量子点技术以及在量子阱中增加应变层等，然而这些技术都存在一定的问题。
14.解决以上问题及缺陷的意义为：
15.(1)虽然人们对“efficiency droop”现象的本质存在争议，但是目前讨论较多的产生“efficiency droop”效应的机制主要有：缺陷态对载流子的非辐射复合、极化效应、载流子的解局域和电子泄露等。但是人们目前对这些复杂的电场机制与光学性质之间的内在联系以及载流子泄露机制还缺乏深入的理解。这些都制约了固态照明技术的进一步发展。为此，本技术提出“一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统”，通过调控材料内部电场以及有效解决载流子泄露问题，进而达到增加有效注入复合区的目的，这不仅提高了载流子复合效率并且有效减少了“效率下垂”等瓶颈问题。
16.(2)在实现超高能效固态照明方面，ingan材料由于不仅具有直接带隙，而且带隙范围从0.64到3.4ev连续可调，理论上可以实现从近红外到近紫外的高效发光，被认为是制备发光器件和光伏器件最重要的材料。目前，ingan基固态照明技术的发展遇到了一些列瓶颈问题，比如“efficiency droop”，即随着注入电流的增加led效率明显减少，这种“效率下降”现象限制了led在高电流密度下的使用。除了效率问题，高效led光源的高成本也在一定程度上阻止了led进入普通光源市场。因此，提高材料的发光效率并有效减少“效率下降”，对固态照明技术的发展具有非常重要的战略意义。


技术实现要素：

17.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统。
18.本发明是这样实现的，一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法包括：根据电场的分布，调整量子阱厚度，将注入区的面积调到最大。
19.进一步，所述将注入区的面积调到最大的方法包括：载流子通过遂穿效应到达一个区域后，将此区域的量子阱厚度增大，增加注入复合区。
20.进一步，所述将注入区的面积调到最大的方法具体包括：
21.步骤一，确定压电场方向。在gan/inxga(1-x)n结构的情况下，由于受到压缩应变使n原子的负电荷中心向相反的c方向移动，这意味着inxga(1-x)n和gan层的晶格失配和不同的热膨胀系数在c方向上形成电场；此外，在ingan/gan量子阱结构中，ingan一般受到压应力，因此其压电场方向沿着[0001]方向((如图5中的(b)图))。
[0022]
步骤二，计算压电场大小。ingan/gan量子阱(qw)中的自发极化和压电极化引起的电场可以达到mv/cm量级，本发明通过对in组分与应力关系公式，确定应力与电场关系，从而精确计算量子阱区域电场大小。
[0023]
步骤三，绘制p-i(mqw)-n的能带结构图，由于量子阱区域内的压缩应变，压电场的方向指向衬底，与内置的pn场相反；
[0024]
步骤四，根据电场分布情况调整量子阱厚度，将量子阱区的三角形势阱倾斜角度调到限制电子的方向，减少载流子溢出；
[0025]
步骤五，部分载流子通过遂穿效应到达一个量子阱区域后，将此区域的量子阱厚度增大，增加有效注入复合区；
[0026]
步骤六，在最后一个量子阱区增加有效阻挡层，进一步减少载流子的溢出，从而达到增大发光效率的目的。
[0027]
进一步，在步骤四中，将量子阱区的三角形势阱倾斜角度调到限制电子的方向中，抑制快速载流子复合过程是内置的pn电场占主导，阱内的电场与势垒区的电场方向相同。
[0028]
本发明的另一目的在于提供一种实施所述的过增加注入复合区以增大发光效率的方法新型量子结构，所述新型量子结构为基于电场调控和隧道效应的led结构，在中间量子阱区域将势垒厚度依次减薄，减少内部电场，使电子和空穴的波函数交叠程度扩大；电子在这些中间量子阱区域进行隧穿，减少电子的非辐射复合，增加注入复合区，使得电子限制在三角形势阱底部(如图5中的(b)图)，这样载流子很难逃出势阱，大大提高了载流子的复合效率。
[0029]
进一步，在电子隧穿到最后一个量子阱时，增加一个algainn电子阻挡层，限制电子的逃逸，同时增加量子阱的厚度，进一步增大注入电子和空穴复合区。
[0030]
本发明的另一目的在于提供一种新型量子结构的制备方法，所述新型量子结构的制备方法包括：采用mbe生长方法，并在c面蓝宝石衬底上生长所述新型量子结构。
[0031]
进一步，所述新型量子结构的制备方法进一步包括：
[0032]
步骤1，对于蓝宝石衬底，在1400℃流动空气下退火5分钟，将压电场方向面的平均粗糙度从0.8降到0.3nm；
[0033]
步骤2，在退火后的(0001)面蓝宝石上生长双缓冲层，分别由690℃下生长的中温gan缓冲层和740℃下沉积的传统aln缓冲层；
[0034]
步骤3，将生长温度提高到1050℃以生长1.5μm厚的未掺杂u-gan外延层和4μm厚的掺硅n-gan外延层；
[0035]
步骤4，将生长温度下降至760℃，生长ingan/gan有源区。
[0036]
进一步，所述步骤4生长ingan/gan有源区包括：
[0037]
(1)生长gan：在1100℃高温清洗蓝宝石衬底后，在550℃低温下生长30nm厚的gan形核层；
[0038]
(2)然后将生长温度提高到1050℃以生长1.5μm厚的未掺杂u-gan外延层和4μm厚的掺硅n-gan外延层，电子浓度为8
×
1018cm-3
；
[0039]
(3)然后将生长温度降至750
–
800℃，以生长11对量子阱结构；ingan3.0nmgan11.0nm多量子阱有源层和21.0nm厚的u-gan lqb；
[0040]
(4)然后将生长温度提高到950℃，以生长8对mg掺杂的p-al0；基于电最终生成场
调控和隧道效应的led结构；ingan3.4nmgan11.0nmebl和150nm厚的mg掺杂p-gan层，空穴浓度为2
×
1017cm-3
。
[0041]
本发明的另一目的在于提供一种半导体发光器件，所述半导体发光器件实施所述的过增加注入复合区以增大发光效率的方法。
[0042]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的通过增加注入复合区以增大发光效率的方法，根据电场的分布情况，调整量子阱厚度，将注入区的面积调到最大：载流子通过遂穿效应到达一个区域后，将此区域的量子阱厚度增大，以增加注入复合区，能够有效增大发光效率，解决现有半导体激光器器件存在的发光效率低的问题。
[0043]
在gan材料晶格中，由于晶格常数c/a比略微偏离理想值1.633，这使得材料中存在自发极化；另外，在gan衬底上生长inxga(1-x)n单晶薄层时，由于晶格失配，gan与inxga(1-x)n层之间的界面产生应变，这种应变造成压电场的产生。这两个因素导致gan材料体系中存在大量的电场，由此引起量子斯塔克效应(qcse)，对材料和器件性能产生很大影响，比如发射光谱红移、电子空穴波函数交叠减少导致发光效率下降等。因此，调节gan基材料体系中的电场分布以及大小对于提高注入区的大小和效率至关重要。
[0044]
为了克服qcse的影响，科研人员采取了多种方法，比如非极性/半极性量子阱的生长、量子点技术以及在量子阱中增加应变层等，然而这些技术大多都存在一定的问题，如工艺不够成熟、稳定性不高等。
[0045]
本发明在充分分析电场机制对材料光学特性和载流子动力学的影响基础上，对电场模型进行构建，然后调控电场以减少载流子泄露，从而达到增大复合区并增大发光效率的目的。
[0046]
为了实现上述目的，提供一种应用所述的通过调控量子阱区和势垒区的电场方向及大小，将电场方向调整为有利于电子收集的方向，从而减少电子的溢出，使得器件在大电流工作时能够加大对载流子的收集，减少俄歇复合以及其他非辐射复合，通过增加注入复合区以增大发光效率的系统能有效避免半导体发光器件目前面临的“效率下垂”等瓶颈问题。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1是本发明实施例提供的通过增加注入复合区以增大发光效率的方法流程图。
[0049]
图2是本发明实施例提供的通过增加注入复合区以增大发光效率的方法原理图。
[0050]
图3是本发明实施例提供的ingan p-i(mqw)-n结构示意图。
[0051]
图4是本发明实施例提供的pin能带结构示意图，其中，电子被限制在三角型势阱中，很难逃逸。
[0052]
图5是本发明实施例提供的新型量子结构电场调控机理示意图。
[0053]
图6是本发明实施例提供的ingan/gan中计算的沿图5中0001方向压电场随inn摩
尔含量的变化图。
具体实施方式
[0054]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0055]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种通过增加注入复合区以增大发光效率的方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0056]
实施例1
[0057]
如图1所示，本发明实施例提供的通过增加注入复合区以增大发光效率的方法包括以下步骤：
[0058]
s101，确定压电场方向。在gan/in
x
ga
(1-x)
n结构的情况下，由于受到压缩应变使n原子的负电荷中心向相反的c方向移动，这意味着in
x
ga
(1-x)
n和gan层的晶格失配和不同的热膨胀系数在c方向上形成电场；此外，在ingan/gan量子阱结构中，ingan一般受到压应力，因此其压电场方向沿着[0001]方向((如图5中的(b)图))。
[0059]
s102，计算压电场大小。ingan/gan量子阱(qw)中的自发极化和压电极化引起的电场可以达到mv/cm量级，本发明通过对in组分与应力关系公式，确定应力与电场关系，从而精确计算量子阱区域电场大小。
[0060]
图6所示，ingan/gan中计算的沿图5中0001方向压电场随inn摩尔含量的变化，其中
[0061][0062]
由此可计算出ebi。
[0063]
s103，绘制p-i(mqw)-n的能带结构图，由于量子阱区域内的压缩应变，压电场的方向指向衬底，与内置的pn场相反。
[0064]
s104，根据电场分布情况调整量子阱厚度，将量子阱区的三角形势阱倾斜角度调到限制电子的方向，减少载流子溢出。
[0065]
s105，部分载流子通过遂穿效应到达一个量子阱区域后，将此区域的量子阱厚度增大，增加有效注入复合区。
[0066]
s106，在最后一个量子阱区增加有效阻挡层，进一步减少载流子的溢出，从而达到增大发光效率的目的。
[0067]
在步骤s104中，将量子阱区的三角形势阱倾斜角度调到限制电子的方向中，抑制快速载流子复合过程是内置的pn电场占主导，阱内的电场与势垒区的电场方向相同。
[0068]
实施例2
[0069]
基于实施例1，作为本发明优选实施例，由于抑制快速载流子复合过程是内置的pn电场占主导，故阱内的电场应该与势垒区的电场方向相同。由于阱和势垒区的场方向相同，且内置的pn场的斜率较大，用tcpc测量的trpl的快速初始衰减过程证明电子和空穴在隧穿过程中更容易逃逸出qw；
[0070]
载流子在几纳秒内从量子阱中逃逸出来，并漂移到材料两端以屏蔽内置的pn场；
由于量子阱中载流子的漂移，阱内屏蔽同时存在；由于压电场较弱，材料在量子阱区和势垒区的电场方向相同。
[0071]
本发明具有峰值电流大，从而提高gan基固态发光器件效率的优势，避免了大电流情况下传统结构中存在的电流过冲效应。
[0072]
实施例3
[0073]
为了实现上述目的，本发明优化量子阱和势垒厚度，并在量子阱结构方面合理设计以利于电子收集。一般情况下，量子阱中的电子由于能量不够高，不能逃离量子阱，电子被束缚在量子阱中。但是，当势垒很薄时，在量子阱中的电子波函数还没有衰减到0，这个时候电子就可能穿越势垒，成为自由电子或到达另一个量子阱中。本发明根据电场分布情况调整量子阱厚度，将注入区的面积调到最大；载流子通过遂穿效应到达一个区域后，将此区域的量子阱厚度增大，增加注入复合区，进而增大发光效率。
[0074]
实施例4
[0075]
本发明实施例还提供一种具有发光效率高特点的新型量子结构，所述新型量子结构为基于电场调控和隧道效应的led结构，在中间量子阱区域将势垒厚度依次减薄，减少内部电场，使电子和空穴的波函数交叠程度扩大；电子在这些中间量子阱区域进行隧穿，减少电子的非辐射复合，增加注入复合区，使得电子限制在三角形势阱底部(如图5中的(b)图)，这样载流子很难逃出势阱，大大提高了载流子的复合效率。
[0076]
在电子隧穿到最后一个量子阱时，增加一个algainn电子阻挡层，限制电子的逃逸，同时增加量子阱的厚度，进一步增大注入电子和空穴复合区。
[0077]
该结构具有有效复合区大以及电子逃逸少的特点，提高了gan发光器件的辐射复合效率，克服传统的gan发光器件电场效应严重以及载流子逃逸多造成的辐射复合效率低的问题。本发明优化量子阱和势垒厚度，在中间量子阱区域(第二个到倒数第二个量子阱)将势垒厚度依次减薄，这不仅减少了内部电场，使得电子和空穴的波函数交叠程度扩大，增加辐射复合效率，而且电子可以在这些中间量子阱区域进行隧穿，减少了电子的非辐射复合，从而达到增加注入复合区的目的。此外，在电子隧穿到最后一个量子阱的时候，增加一个algainn电子阻挡层，限制电子的逃逸，同时增加量子阱的厚度，进一步增大注入电子和空穴复合区，提高器件的发光效率。
[0078]
本发明实施例提供的新型量子结构，为基于电场调控和隧道效应的led结构在中间量子阱区域将势垒厚度依次减薄，减少内部电场，使得电子和空穴的波函数交叠程度扩大，增加辐射复合效率；电子在这些中间量子阱区域进行隧穿，减少电子的非辐射复合，增加注入复合区。
[0079]
在电子隧穿到最后一个量子阱时，增加一个algainn电子阻挡层，限制电子的逃逸，同时增加量子阱的厚度，进一步增大注入电子和空穴复合区。
[0080]
实施例5
[0081]
本发明该实施例提供一种新型量子结构的制备方法，所述新型量子结构的制备方法包括：采用mbe生长方法，并在c面蓝宝石衬底上生长所述新型量子结构。
[0082]
具体包括：
[0083]
有效复合区增大结构可采用化学气相层积法、分子束外延法制备，本发明优选mbe生长方法，并在c面蓝宝石衬底上生长所述新型结构。
[0084]
对于蓝宝石衬底，在1400℃流动空气下退火5分钟，可将(0001)面的平均粗糙度从0.8降到0.3nm。
[0085]
在退火后的(0001)面蓝宝石上生长双缓冲层，分别由690℃下生长的中温gan缓冲层和740℃下沉积的传统aln缓冲层，此步骤能够优化薄膜质量。
[0086]
然后将生长温度提高到1050℃以生长1.5μm厚的未掺杂u-gan外延层和4μm厚的掺硅n-gan外延层。
[0087]
再者，将生长温度下降至760℃，生长ingan/gan有源区，包括：(1)生长gan：采用金属有机化学气相沉积法在c面，蓝宝石衬底上生长了参考led a样品。在1100℃高温清洗蓝宝石衬底后，在550℃低温下生长30nm厚的gan形核层。
[0088]
(2)然后将生长温度提高到1050℃以生长1.5μm厚的未掺杂u-gan外延层和4μm厚的掺硅n-gan外延层，电子浓度为8
×
1018cm-3
。
[0089]
(3)然后将生长温度降至750
–
800℃，以生长11对量子阱结构。ingan3.0nmgan11.0nm多量子阱有源层和21.0nm厚的u-gan lqb。
[0090]
(4)然后将生长温度提高到950℃，以生长8对mg掺杂的p-al0。ingan3.4nmgan11.0nmebl和150nm厚的mg掺杂p-gan层，空穴浓度为2
×
1017cm-3.对于led b样品，除了使用8对p-algan(3.5nm)/ingan(2.5nm)sls ebl取代原有的p-algan/gan sls ebl结构外，结构参数与参考led a样品相同。
[0091]
为了实现应变补偿algan/ingan-sls的目标，algan层中的铝含量为15％。ingan层中的铟成分为3.1％。结果，具有压缩应变的gan层通过拉伸应变algan进行应变补偿。
[0092]
为了保证ebl的晶体质量和ingan阱中的成分吸收，采用了氮气气氛下的变温生长方法。ingan阱层的生长温度为850℃，algan阻挡层的生长温度为950℃。生长后，通过芯片制造工艺可以制备尺寸约为400
×
400μm2的led芯片。
[0093]
实施例6
[0094]
本发明尝试绘制p-i(mqw)-n的能带结构图。由于量子阱区域内的压缩应变，压电场的方向指向衬底，与内置的pn场相反。请注意，阱区和势垒区有可能看到完全相同或相反的电场，这取决于压电场的精确值。对于本发明的样品，本发明可以推断出阱内的电场应该与势垒区的电场方向相同，因为抑制快速载流子复合过程是内置的pn电场占主导，而不是压电场。带结构示意图如图4所示。由于阱和势垒区的场方向相同，且内置的pn场的斜率较大，因此电子和空穴在隧穿过程中更容易逃逸出qw。用tcpc测量的trpl的快速初始衰减过程证明了这一点。载流子在几纳秒内从量子阱中逃逸出来，并漂移到材料两端以屏蔽内置的pn场。当然，由于量子阱中载流子的漂移，阱内屏蔽也同时存在。样品在井道和势垒区的电场方向相同，可能是由于压电场较弱所致。
[0095]
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。