一种氮化镓基LED的量子阱结构及生长方法.pdf

本发明公开了一种氮化镓基LED的量子阱结构及生长方法，其主要在形成多量子阱结构时，数目上形成X+Y(1≤X≤10，1≤Y≤20)的生长方式，即先生长X个量子阱，再生长Y个量子阱。其中前X个量子阱的势阱层厚度比后Y个量子阱的势阱层厚度小。通过这种生长方式，使得在光致发光设备测量波长时所探测到的发光的量子阱与电致发光时测得的发光的量子阱相同，从而维持了蓝移量的稳定性。本发明还公开了根据上述方法制备的氮化镓基LED结构，其蓝移量得到了有效的控制。本发明可以广泛用于半导体LED的制备中。

1、  一种氮化镓基LED的量子阱，该氮化镓基LED结构为，在衬底上依次沉积有缓冲层、n型层、多层量子阱、p型导电氮化铝镓层、p型层，其特征在于：形成多层量子阱结构时，数目上形成X+Y(1≤X≤10，1≤Y≤20)的生长方式，即先生长X个量子阱，再生长Y个与前X个量子阱具有不同势阱层或势垒层量子阱。

2、  按照权利要求1所述的氮化镓基LED量子阱的生长方法，其特征在于：前X个量子阱的势阱层厚度W_X小于后Y个量子阱的势阱层的厚度W_Y，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度B_X等于后Y个量子阱的势垒层的厚度B_Y，即B_X＝B_Y。

3、  按照权利要求1所述的氮化镓基LED量子阱的生长方法，其特征在于：前X个量子阱的势阱层厚度W_X小于后Y个量子阱的势阱层的厚度W_Y，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度B_X大于后Y个量子阱的势垒层的厚度B_Y，即B_X＞B_Y。

4、  按照权利要求1所述的氮化镓基LED量子阱的生长方法，其特征在于：前X个量子阱的势阱层厚度W_X小于后Y个量子阱的势阱层的厚度W_Y，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度B_X小于后Y个量子阱的势垒层的厚度B_Y，即B_X＜B_Y。

5、  一种氮化镓基LED的量子阱结构的制备方法，其步骤：(1)采用MOCVD设备，在480℃～550℃的温度下，在衬底上生长GaN低温缓冲层，厚度约25nm～30nm；(2)在1000℃～1100℃的温度下，生长未掺杂的氮化镓层，厚度约2.5um；(3)在1000℃～1100℃的温度下，生长n型氮化镓层，厚度约4um；(4)将温度降到550℃～800℃生长In_aGa_1-aN量子阱，周期数为1～30个；(5)在温度900℃～1000℃生长P型Al_XGa_1-XN层，厚度为30nm～70nm；(6)在温度900℃～1000℃生长P型层，厚度0.2um～1um；(7)在温度900℃～1000℃生长P型接触层，厚度约2nm。

一种氮化镓基LED的量子阱结构及生长方法
技术领域
本发明涉及一种氮化镓基LED的量子阱的结构。本发明还涉及一种氮化镓基LED的量子阱的生长方法。
背景技术
以GaN，InGaN，AlGaN合金为主的III-V族氮化物材料具有宽直接带隙，强化学键，耐高温等优良的性能。由于GaN的禁带宽度为3.4eV，其复合发光位于紫外，因此在用GaN基制备可见光的光电子元器件时，都使用InGaN有源层，随有源层厚度的变化，会发出覆盖了从蓝光，绿光到红黄光的波段范围。由于发光二极管(LED)作为显示元件具有电压低，亮度好，发光响应快等特性，因而被广泛应用于显示屏及照明领域。
目前，常见的氮化镓基发光二极管结构为(见图1)：发光二极管100包括：在衬底101上依次沉积缓冲层102；不摻杂的氮化镓层103；n型氮化镓层104；多层量子阱结构105；p型导电的氮化铝镓层106；p型导电的氮化镓层107；接触层108；接触层108上的p电极109及在n型导电的氮化镓层104上的n电极110.其中多层量子阱结构105采用相同模式生长(包含相同的势阱层113与势垒层114)，即所有量子阱的势阱层的厚度、势垒层的厚度都相同。
蓝移是目前氮化镓基发光二极管中存在的一个主要问题，不稳定的蓝移量会给稳定生产和器件在不同应用电流下发光亮度保持一致性带来不可估量的影响，所以，蓝移量的稳定是发光二极管的制造商们一直在努力寻求解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种量子阱结构和生长方法保持蓝移量的稳定。
本发明的技术方案为：为解决上述问题，本发明所提出的量子阱的结构和生长方法主要是：形成多量子阱结构时，数目上形成X+Y(1≤X≤10，1≤Y≤20)的生长方式，即先生长X个量子阱，再生长Y个(与前X个量子阱具有不同势阱层或势垒层)量子阱。其余工艺按照常规生长工艺生长，量子阱方式的改变主要目的是为了维持生产过程中蓝移量的稳定性。
按照上述方法制备的氮化镓基LED结构为：在衬底上依次沉积有缓冲层、未掺杂氮化镓层、n型导电氮化镓层、X+Y(前X个量子阱与后Y个量子阱有不同的势阱层或势垒层)型多层量子阱、p型导电氮化铝镓层、p型导电氮化镓层、接触层和其上的p电极，以及n型导电氮化镓层上的n电极。
本发明所制备的一种结构形成多量子阱结构时，在数目上形成X+Y(1≤X≤10，1≤Y≤20)的生长方式(前X个量子阱的势阱层厚度W_X小于后Y个量子阱的势阱层的厚度W_Y，即0＜W_X＜W_Y；由于量子阱的压电极化效应会因量子阱离n型层的远近而不同，即越靠近n型层，量子阱的压电极化效应越弱，其发光波长会越长。如果用相同的量子阱(相同的势阱层厚度与相同的势垒层厚度)形成多量子阱结构的时候，那么光致发光设备所测得的波长会受到最靠近n型层的几个量子阱的影响，同时，电致发光所测得的量子阱仅限于后几个，从而使得蓝移量不稳定。然而，采用X+Y型多层量子阱，因为厚度比较薄的势阱层(前X个)发光波长比较短，其发出的光可以被厚度比较厚的势阱层(后Y个)所吸收，所以，在利用光致发光设备对此结构进行测量时，其测得的实际发光的量子阱可以仅限于后Y个，这就与电致发光所激发的量子阱相近似，所以实现了两种测量方式测得的波长之间的差值(蓝移量)稳定。
本发明的优点在于：通过这种生长方式，使得在光致发光设备测量波长时所探测到的发光的量子阱与电致发光时测得的发光的量子阱相同，从而维持了蓝移量的稳定性。
附图说明
图1a是常见的氮化镓基LED的结构示意图；
图1b是常见的氮化镓基LED的的量子阱能带图；
图2a是本发明的实施例氮化镓基LED的结构示意图；
图2b是本发明的实施例氮化镓基LED的量子阱能带图；
图3a是本发明的实施例氮化镓基LED的结构示意图；
图3b是本发明的实施例氮化镓基LED的量子阱能带图；
图4a是本发明的实施例氮化镓基LED的结构示意图；
图4b是本发明的实施例氮化镓基LED的量子阱能带图。
具体实施方式
实施例1
图2为采用本发明的氮化镓基LED200，其在衬底201上依次沉积缓冲层202，未掺杂的氮化镓层203；n型氮化镓层204；多层量子阱结构205(包含势阱层213、215以及势垒层214)；p型导电的氮化铝镓层206；p型导电的氮化镓层207；接触层208；接触层208上的p电极209及在n型导电的氮化镓层204上的n电极210.其中多层量子阱结构205采用X+Y型多层量子阱，前X个量子阱的势阱层厚度(W_X)213小于后Y个量子阱的势阱层的厚度(W_Y)215，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度(B_X)214等于后Y个量子阱的势垒层的厚度(B_Y)214，即B_X＝B_Y。.
衬底201选用制备发光二极管常用的蓝宝石(Al₂O₃)，具体工艺如下：
(1).作缓冲层的氮化镓层202的生长温度480℃～550℃，厚度25nm～30nm；
(2).未掺杂氮化镓层203的厚度为2.5微米，生长温度：1000℃～1100℃；
(3).n型导电的氮化镓层204为4微米，生长温度：1000℃～1100℃；
(4).多层量子阱205，是LED的发光区域，采用X+Y(1≤X≤10，1≤Y≤20)型多层量子阱生长方式，其中前X个量子阱的势阱层厚度(W_X)213小于后Y个量子阱的势阱层的厚度(W_Y)215，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度(B_X)214等于后Y个量子阱的势垒层的厚度(B_Y)214，即B_X＝B_Y，在具体沉积工艺中使用氮气作为载气；
(5).p型导电层的氮化铝镓层206，做载流阻挡层，约30nm～70nm，其生长温度900℃～1000℃；
(6).p型导电层的氮化镓层207的厚度0.2um～1um，生长温度约为900℃～1000℃；
(7).接触层208的厚度为2nm，生长温度900℃～1000℃；
在20mA注入电流的条件下，本发明的氮化镓LED结构蓝移量稳定在3nm～4nm之间，而原来的氮化镓基LED结构蓝移量在3nm～12nm之间波动。
实施例2
图3为采用本发明的氮化镓基LED300，其在衬底301上依次沉积缓冲层302，未掺杂的氮化镓层303；n型氮化镓层304；多层量子阱结构305(包含势阱层313、315以及势垒层314、316)；p型导电的氮化铝镓层306；p型导电的氮化镓层307；接触层308；接触层308上的p电极309及在n型导电的氮化镓层304上的n电极310.其中多层量子阱结构305采用X+Y型多层量子阱，前X个量子阱的势阱层厚度(W_X)313小于后Y个量子阱的势阱层的厚度(W_Y)315，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度(B_X)314大于后Y个量子阱的势垒层的厚度(BY)316，即B_X＞B_Y。
衬底301选用制备发光二极管常用的蓝宝石(Al₂O₃)，具体工艺如下：
(1)作缓冲层的氮化镓层302的生长温度480℃～550℃，厚度25nm～30nm；
(2)未掺杂氮化镓层303的厚度为2.5微米，生长温度：1000℃～1100℃；
(3)n型导电的氮化镓层304为4微米，生长温度：1000℃～1100℃；
(4)多层量子阱305，是LED的发光区域，采用X+Y(1≤X≤10，1≤Y≤20)型多层量子阱生长方式，其中前X个量子阱的势阱层厚度(W_X)313小于后Y个量子阱的势阱层的厚度(W_Y)315，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度(B_X)314大于后Y个量子阱的势垒层的厚度(B_Y)316，即B_X＞B_Y，在具体沉积工艺中使用氮气作为载气；
(5)p型导电层的氮化铝镓层306，做载流阻挡层，约30nm～70nm，其生长温度900℃～1000℃；
(6)p型导电层的氮化镓层307的厚度0.2um～1um，生长温度约为900℃～1000℃；
(7)接触层308的厚度为2nm，生长温度900℃～1000℃；
在20mA注入电流的条件下，本发明的氮化镓LED结构蓝移量稳定在3nm～4nm之间，而原来的氮化镓基LED结构蓝移量在3nm～12nm之间波动。
实施例3
图4为采用本发明的氮化镓基LED400，其在衬底401上依次沉积缓冲层402，未掺杂的氮化镓层403；n型氮化镓层404；多层量子阱结构405(包含势阱层413、415以及势垒层414、416)；p型导电的氮化铝镓层406；p型导电的氮化镓层407；接触层408；接触层408上的p电极409及在n型导电的氮化镓层404上的n电极410.其中多层量子阱结构405采用X+Y型多层量子阱，前X个量子阱的势阱层厚度(W_X)413小于后Y个量子阱的势阱层的厚度(W_Y)415，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度(B_X)414小于后Y个量子阱的势垒层的厚度(B_Y)416，即B_X＜B_Y。
衬底401选用制备发光二极管常用的蓝宝石(Al₂O₃)，具体工艺如下：
(1)作缓冲层的氮化镓层402的生长温度480℃～550℃，厚度25nm～30nm；
(2)未掺杂氮化镓层403的厚度为2.5微米，生长温度：1000℃～1100℃；
(3)n型导电的氮化镓层404为4微米，生长温度：1000℃～1100℃；
(4)多层量子阱405，是LED的发光区域，采用X+Y型多层量子阱结构(前X个量子阱的势阱层厚度(W_X)413小于后Y个量子阱的势阱层的厚度(W_Y)415，即0＜W_X＜W_Y，前X个量子阱的势垒层厚度(B_X)414小于后Y个量子阱的势垒层的厚度(B_Y)416。即B_X＜B_Y，在具体沉积工艺中使用氮气作为载气；
(5)p型导电层的氮化铝镓层406，做载流阻挡层，约30nm～70nm，其生长温度900℃～1000℃；
(6)p型导电层的氮化镓层407的厚度0.2um～1um，生长温度约为900℃～1000℃；
(7)接触层408的厚度为2nm，生长温度900℃～1000℃；
在20mA注入电流的条件下，本发明的氮化镓LED结构蓝移量稳定在3nm～4nm之间，而原来的氮化镓基LED结构蓝移量在3nm～12nm之间波动。