提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的方法及结构与流程

本发明属于半导体技术领域，具体地讲，涉及一种提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的方法及结构。

背景技术：

GaN基绿光或更长波长激光器和LED在半导体显示与照明方面有非常广泛的应用。InGaN量子阱有源区作为GaN基激光器和LED的核心结构，其生长行为、形貌对InGaN量子阱的光学性质和器件的性能有非常重要的影响。

由于InN的平衡蒸汽压非常高，并且In-N键能弱，导致InN的分解温度低。因此，高In组分的InGaN必须在低温下生长以保证足够多的In并入外延层。一般用MOCVD生长InGaN的温度大概在650℃～750℃之间。但通常在较低的生长温度下，表面原子的迁移率低，迁移距离短。对于绿光或更长波长InGaN量子阱，由于InGaN量子阱层有更高的In组分以获得长波长发光，在采用MOCVD的方法生长时，需要更低的温度与更高的In/Ga比。当在斜切角较小的衬底上外延生长时，由于原子台阶宽度较大，原子落到样品表面的时候不能迁移到原子台阶边缘适合并入的位置并入，而是直接在原子台阶表面成核，这种情况下InGaN的AFM形貌一般是一些沿原子台阶分布的二维岛状的形貌。在这种二维岛的形貌之上再生长量子垒层，会导致InGaN量子阱和量子垒层之间的表面粗糙，进而影响InGaN量子阱有源区的光学性能。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的方法，从而得到呈原子台阶流生长且内量子效率高的InGaN量子阱。

本发明提供了一种提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的方法，其包括：

采用一具有原子台阶的衬底，其中所述衬底上相邻原子台阶形成的斜切角大于0.2°；

在所述原子台阶面上形成缓冲层；

在所述缓冲层上形成高温n型GaN层；

在所述高温n型GaN层上形成InGaN量子阱。

进一步地，每相邻两个原子台阶形成的斜切角相等；和/或所述衬底上相邻原子台阶形成的斜切角为0.2°～15°。

进一步地，所述缓冲层为低温不掺杂GaN层，所述低温不掺杂GaN层的厚度为10nm～30nm。

进一步地，所述高温n型GaN层的厚度小于5000nm。

进一步地，所述高温n型GaN层的电子浓度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之间。

进一步地，所述绿光或更长波长InGaN量子阱为不掺杂的In_xGa_1-xN量子阱。

进一步地，所述In_xGa_1-xN量子阱的厚度为1nm～5nm，且所述In_xGa_1-xN量子阱的In组分随InGaN量子阱发光波长的增加而增大。

进一步地，每一级原子台阶上形成的InGaN量子阱呈原子台阶流形貌。

进一步地，所述InGaN量子阱的原子台阶高度与相邻高一级原子台阶的高度相等。

本发明还提供了一种利用如上所述的方法来提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的结构，包括：衬底，具有原子台阶，且相邻原子台阶形成的斜切角大于0.2°；缓冲层，形成在所述原子台阶面上；高温n型GaN层，形成在所述缓冲层上；InGaN量子阱，形成在所述高温n型GaN层上。

本发明的有益效果：本发明的提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的方法采用斜切角大于0.2°的衬底生长绿光或更长波长InGaN量子阱有源区，可以实现绿光或更长波长InGaN量子阱的原子台阶流生长，改善其形貌，并提高InGaN量子阱的内量子效率。此外，由上述方法制备得到的InGaN量子阱既可以广泛应用于GaN基绿光或更长波长LED、GaN基绿光或更长波长激光器中，也可以广泛应用于多量子阱太阳能电池中。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是本发明实施例的提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的方法的步骤流程图；

图2是由本发明实施例的方法制备得到的绿光或更长波长InGaN量子阱结构的材料结构示意图；

图3是由本发明实施例的方法制备得到的绿光或更长波长InGaN量子阱结构的立体图；

图4是本发明实施例的衬底的斜切角与原子台阶宽度关系示意图；

图5(a)是在斜切角度为0.2°的GaN衬底上形成的绿光InGaN量子阱的AFM形貌图；

图5(b)是在斜切角度为0.54°的GaN衬底上形成的绿光InGaN量子阱的AFM形貌图；

图5(c)是在斜切角度为0.6°的GaN衬底上形成的绿光InGaN量子阱的AFM形貌图；

图6(a)是在斜切角度为0.2°的GaN衬底上形成的绿光InGaN量子阱的变温PL测试结果曲线图；

图6(b)是在斜切角度为0.56°的GaN衬底上形成的绿光InGaN量子阱的变温PL测试结果曲线图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

在附图中，为了使组件清晰展示，夸大了层和区域的厚度。此外，相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

图1是本发明实施例的提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的方法的步骤流程图。

参照图1，本发明的实施例提供了一种提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的方法，其包括以下步骤：

步骤S1：采用一具有原子台阶的衬底，其中所述衬底上相邻原子台阶形成的斜切角大于0.2°；

步骤S2：在所述原子台阶面上形成缓冲层；

步骤S3：在所述缓冲层上形成高温n型GaN层；

步骤S4：在所述高温n型GaN层上形成InGaN量子阱。

图2是由本发明实施例的方法制备得到的InGaN量子阱结构的材料结构示意图。图3是由本发明实施例的方法制备得到的InGaN量子阱结构的立体图。

参照图2和图3，采用上述方法，制备得到如图2和图3所示的用于提高绿光或更长波长InGaN量子阱发光效率的结构，在这里，简称为InGaN量子阱结构。该InGaN量子阱结构包括衬底1、缓冲层2、高温n型GaN层3、InGaN量子阱4。其中，衬底1具有原子台阶，且相邻原子台阶形成的斜切角大于0.2°。缓冲层2形成在所述原子台阶面上。高温n型GaN层3形成在缓冲层2上。InGaN量子阱4形成在所述高温n型GaN层3上。

结合步骤S1，衬底1可以是GaN衬底，也可以是蓝宝石衬底或SiC衬底或Si衬底。本发明并不限制于此。

图4是本发明实施例的衬底的斜切角与原子台阶宽度关系示意图。

减小衬底1的表面原子台阶宽度，在低温下生长高In组分绿光或更长波长InGaN量子阱4时，原子能够迁移到原子台阶边缘并入，以原子台阶流生长模式生长，获得好的表面形貌与晶体质量。如图4所示，图4为斜切角与原子台阶宽度关系示意图。假定衬底1的相邻两个原子台阶之间的坡度为斜切角α，原子台阶的高度为h，Lt为原子台阶宽度，则tanα＝h/Lt，即Lt＝h/tanα。那么当原子台阶高度h一定时，原子台阶宽度Lt随衬底1斜切角α的增大而减小。在本实施例中，相邻两个原子台阶之间的坡度大于0.2°，即采用斜切角α大于0.2°的衬底1生长高In组分绿光或更长波长InGaN量子阱4。衬底1的斜切角α越大时，表面原子台阶的宽度越小，低温下生长时原子能够迁移到原子台阶边缘并入，形成原子台阶流的生长模式。进一步地，相邻原子台阶形成的斜切角α可以是大于0.2°小于15°，对于绿光InGaN量子阱优选为0.4°～0.7°，而对于更长波长InGaN量子阱，最优斜切角更大，本发明并不限制于此。

优选地，在本实施例中，所述原子台阶为规则递增型台阶。每相邻两个原子台阶形成的斜切角α相等。

结合步骤S2、S3、S4，缓冲层2、高温n型GaN层3和InGaN量子阱4的生长方法可以是MOCVD也可以是MBE。MOCVD指的是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。MBE指的是一种分子束外延的晶体生长技术。但本发明并不限制于此。

具体地，结合步骤S2，缓冲层2形成在衬底1的原子台阶面上，缓冲层2具体为低温不掺杂GaN层。具体地，低温不掺杂GaN层的厚度为10nm～30nm。

结合步骤S3，高温n型GaN层3形成在缓冲层2上，其厚度小于5000nm，电子浓度在10¹⁷cm^-3到10¹⁹cm^-3之间。

在本实施例中，低温不掺杂GaN层(缓冲层2)和高温n型GaN层3依次形成在原子台阶的上表面之上，即原子台阶宽为Lt的表面(如图4所示)上。

结合步骤S4，InGaN量子阱4为不掺杂的In_xGa_1-xN量子阱。In_xGa_1-xN量子阱的厚度为1nm～5nm之间，其In组分随InGaN量子阱发光波长的增加而增大，例如发光波长为520nm的InGaN量子阱中的In组分大约为25％，发光波长更长的InGaN量子阱中的In组分也更高。

从图3中可知，每一级原子台阶上的InGaN量子阱4呈原子台阶流形貌，且每一级原子台阶上的InGaN量子阱4恰好布满该原子台阶。或者说InGaN量子阱4分布于原子台阶水平台阶面外沿。更具体地，InGaN量子阱4与其相邻的高级原子台阶的上表面齐平，或者说他们位于同一高度(同一水平面)上。

根据本发明实施例的采用大斜切角衬底提高InGaN量子阱发光效率的方法，采用斜切角大的衬底1来依次生长缓冲层2、高温n型GaN层3、InGaN量子阱4，由于衬底1原子台阶的宽度窄，因此在特定温度特定生长速率下生长绿光或更长波长InGaN量子阱4时，原子的迁移距离一定，当原子台阶的宽度较窄时，原子有更大几率迁移到原子台阶边缘并入原子台阶，从而形成原子台阶流生长模式。通过变温PL测试内量子效率发现本发明实施例的原子台阶流生长模式的InGaN量子阱4有更高的内量子效率。

图5(a)是在斜切角度为0.2°的GaN衬底上形成的InGaN量子阱4的AFM形貌图。图5(b)是在斜切角度为0.54°的GaN衬底上形成的InGaN量子阱的AFM形貌图。图5(c)是在斜切角度为0.6°的GaN衬底上形成的InGaN量子阱的AFM形貌图。

需要说明的是，在该测试中采用的是绿光InGaN量子阱。由图5(a)～图5(c)的AFM形貌测试结果可知，在斜切角较小的衬底1上生长的绿光InGaN量子阱4的表面形貌是沿原子台阶分布的二维岛形貌，并且原子台阶宽度较大。在斜切角较大的衬底1上生长的绿光InGaN量子阱4的表面形貌是原子台阶流形貌，并且原子台阶宽度较小。

图6(a)是在斜切角度为0.2°的GaN衬底上形成的InGaN量子阱的变温PL测试结果曲线图。图6(b)是在斜切角度为0.56°的GaN衬底上形成的绿光InGaN量子阱的变温PL测试结果曲线图。其中，横坐标表示的是1000除以温度的数值，纵坐标表示的是PL积分强度。

结合图6(a)和图6(b)可以看出，当斜切角从0.2°增加到0.56°，绿光InGaN量子阱4的内量子效率(IQE)从0.67％增加到3.5％。因此采用斜切角大于0.2°的衬底1生长绿光InGaN量子阱4可以有效提高绿光InGaN量子阱4的内量子效率。

综上所述，根据本发明的实施例，采用斜切角大于0.2°的衬底生长绿光或更长波长InGaN量子阱有源区，可以实现绿光或更长波长InGaN量子阱的原子台阶流生长，改善其形貌，并提高InGaN量子阱的内量子效率。此外，通过上述方法制备得到的InGaN量子阱既可以广泛应用于GaN基绿光或更长波长LED、GaN基绿光或更长波长激光器中，也可以广泛应用于多量子阱太阳能电池中。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。