專利名稱：基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管，尤其是涉及一種基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu) 及其制備方法。
背景技術(shù)：
自20世紀90年代InGaN基發(fā)光二極管(LED)問世后，由于市場價值高、發(fā)展?jié)摿Υ螅?無論工商業(yè)界、學術(shù)、研究單位皆投入相當大的人力與物力，InGaN基LED目前已成為發(fā)展 最快、應(yīng)用廣泛的高新技術(shù)。特別是在全球變暖現(xiàn)象日益嚴峻的大環(huán)境下，InGaN基LED固 態(tài)照明具備的壽命長(達到IO萬小時)、節(jié)能(能耗為白熾燈的1/8 1/10之間、節(jié)能熒光燈 的1/3)、環(huán)保(可回收、無污染)等先天優(yōu)勢，成為取代傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈的理想照明方 案。目前，用于固態(tài)照明的大功率GaN基LED多采用藍光與黃色熒光結(jié)合得到高亮度白光， 然而，紫外光直接激發(fā)紅綠藍熒光得到高亮度白光是固態(tài)照明未來的發(fā)展方向。近年來，紫 外GaN基LED主要釆用低組分InGaN構(gòu)造有源層，由于InGaN中固有的相偏析屬性(R. W. Martinet, al.， Origin of luminescence from InGaN diodes, Phys. Rev. Lett., 82 (1999) 237)，使得生 長的InGaN量子阱常常為兩種或者多種不同In含量InGaN的混合體，量子能級乃至發(fā)光波 長的精確控制難度大。同時，極化場造成的電子空穴空間分離，并直接影響到它們的復(fù)合發(fā) 光幾率等光學性質(zhì)，使得波長控制問題變得更加錯綜復(fù)雜。加上不同In含量InGaN的無序混 合，常引入非輻射復(fù)合中心，嚴重影響了器件的性能。這些特性在金屬有機物化學氣相沉積 (MOCVD)和分子束外延(MBE)等不同技術(shù)生長的InGaN材料中都非常明顯，成為制約 紫外InGaN基LED技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)及其制備方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案是采用超薄InN替代傳統(tǒng)低組分InGaN作為阱層，與GaN壘層形成 應(yīng)變量子阱。
本發(fā)明所述基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)自底層至頂層依次為同質(zhì)基質(zhì)材 料層或異質(zhì)基質(zhì)材料層，n型GaN基半導體層，InN/GaN應(yīng)變量子阱，p型GaN基半導體層， 所述n型GaN基半導體層上設(shè)有負電極，p型GaN半導體層設(shè)有正電極。
4本發(fā)明所述基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法包括以下步驟
1) 選擇基質(zhì)材料；
2) 在基質(zhì)材料上外延生長n型GaN基半導體層
3) 在n型GaN基半導體層上交替生長GaN壘層和InN阱層3 ll個周期；
4) 在最上一層InN阱層上生長p型GaN基半導體層，完成外延生長；
5) 在N2氣氛下對步驟4)所得的材料退火，在p型GaN層上制備正電極，在n型GaN層上 制備負電極，即得目標產(chǎn)物。
在步驟l)中，所述基質(zhì)材料為同質(zhì)基質(zhì)材料或異質(zhì)基質(zhì)材料，最好選取同質(zhì)基質(zhì)材料； 所述異質(zhì)基質(zhì)材料可選取藍寶石、硅單晶、氮化鋁或碳化硅等。
在步驟2)中，所述在基質(zhì)材料上外延生長n型GaN基半導體層的方法最好采用金屬有機 化學氣相沉積法；所述n型GaN基半導體層的施主雜質(zhì)最好為Si、 Sn或Se等，雜質(zhì)源最好為硅 垸等；所述n型GaN基半導體層的厚度最好為400 3000nm。
在步驟3)中，所述在n型GaN基半導體層上交替生長GaN壘層和IiiN阱層的生長溫度最好 在保持600 850'C; GaN壘層的厚度最好為7 14nm， InN阱層的厚度最好為0.25 0.75nm。
在步驟4)中，所述p型GaN層的受主雜質(zhì)最好為Mg、 Be或Zn等，雜質(zhì)源最好為二茂鎂， 載氣優(yōu)選氫氣或氮氣；所述p型GaN基半導體層的厚度最好為50 400nm。
在步驟5)中，所述退火的溫度最好為500 1200'C。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，采用本發(fā)明制備的應(yīng)變InN/GaN量子阱LED具有以下突出優(yōu)點因 阱層厚度小于產(chǎn)生范性形變的臨界值，晶格互不匹配的阱與壘發(fā)生彈性形變形成共格生長的 應(yīng)變量子阱。通過形變產(chǎn)生的應(yīng)力抑制組分相變，實現(xiàn)組分均勻的量子阱制備，提高晶體質(zhì) 量；并借助阱內(nèi)應(yīng)力調(diào)制能帶和量子能級，控制工作波長于紫外光(380 400nm)區(qū)域；此外， 利用應(yīng)變InN/GaN量子阱厚度超薄的特點，大幅度縮小了電子和空穴的空間距離，促進二者 復(fù)合發(fā)光，提高了發(fā)光效率。


圖1為本發(fā)明實施例1中的紫外LED外延片結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1中，代號B為GaN壘 層，W為InN阱層；P和N分別為p型GaN層與n型GaN層；PE和NE分別為正電極與負 電極；C為基質(zhì)層。
圖2為本發(fā)明實施例1中不同狀態(tài)下量子阱晶體結(jié)構(gòu)(虛線框上部)和對應(yīng)能帶結(jié)構(gòu)圖 (虛線框下部)。在圖2中，(a)形成應(yīng)變量子阱前塊體材料狀態(tài)下；(b)應(yīng)變量子阱；(c) 調(diào)節(jié)IiiN阱層厚度后的應(yīng)變量子阱。加厚阱寬，壘層受到更大張應(yīng)力，量子阱整體"軸晶格 變大，改變了原子間軌道耦合，最終導致阱內(nèi)量子能級間距減小，發(fā)光峰紅移；(d)調(diào)節(jié)壘層厚度后的應(yīng)變量子阱。加厚壘層厚度，阱層受到更大壓應(yīng)力，量子阱整體fl軸晶格減小， 阱內(nèi)量子能級間距增大，發(fā)光峰藍移。
圖3為本發(fā)明實施例1中樣品I與樣品II紫外LED外延片電致發(fā)光圖。樣品I與樣品II 通過控制生長適當?shù)内鍖优c壘層厚度，使得發(fā)光峰波長在近紫外380 400nm范圍內(nèi)可調(diào)； 在圖3中，橫坐標為波長Wavelength(nm)，縱坐標為規(guī)一化強度Normalized intensity(a.u.); 實線為樣品I，虛線為樣品II。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。 實施例l
參見圖l，采用金屬有機化學氣相沉積法進行外延生長。將藍寶石襯底(基質(zhì)材料)裝入 反應(yīng)腔，釆用兩步生長法在藍寶石襯底上外延生長(900 1100'C) GaN基化合物基質(zhì)層；隨 后生長n型GaN基半導體層，n型GaN基半導體層的厚度為400 3000nm，在n型GaN基半導體 層上交替生長GaN壘層和InN阱層3 ll個周期，InN阱層和GaN壘層的厚度根據(jù)發(fā)光波長設(shè) 計，樣品I厚度控制InN阱層約為0.25nm， GaN壘層約為7.9nm，樣品II厚度控制InN阱層約為 0.5nm， GaN壘層約為12nm;在最上一層InN阱層上生長p型GaN基半導體層，完成外延生長。 生長結(jié)束后，將外延片在N2氣氛中爐外退火，退火溫度為500 750'C， 25min，以激活材料中 的Mg受主，提高空穴濃度。在生長過程中采用三甲基鎵、三甲基鋁作為III族源，高純氨作為 V族源，高純氫氣作為載氣，二茂鎂、高純硅垸作為摻雜源。最后在p型GaN層上制備正電極， 在n型GaN層上制備負電極，即得目標產(chǎn)物。
實施例2
與實施例l類似，其區(qū)別在于基質(zhì)材料采用硅單晶或碳化硅，厚度控制InN阱層約為 0.75nm， GaN壘層約為14nm，退火溫度為1100 1200。C。
權(quán)利要求
1.基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)，其特征在于其結(jié)構(gòu)自底層至頂層依次為同質(zhì)基質(zhì)材料層或異質(zhì)基質(zhì)材料層，n型GaN基半導體層，InN/GaN應(yīng)變量子阱，p型GaN基半導體層，所述p型GaN半導體層設(shè)有正電極，n型GaN基半導體層上設(shè)有負電極。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在 于包括以下步驟1) 選擇基質(zhì)材料；2) 在基質(zhì)材料上外延生長n型GaN基半導體層；3) 在n型GaN基半導體層上交替生長GaN壘層和InN阱層3 ll個周期；4) 在最上一層InN阱層上生長p型GaN基半導體層，完成外延生長；5) 在N2氣氛下對步驟4)所得的材料退火，在p型GaN層上制備正電極，在n型GaN層上 制備負電極，即得目標產(chǎn)物。
3. 如權(quán)利要求2所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 在步驟l)中，所述基質(zhì)材料為同質(zhì)基質(zhì)材料或異質(zhì)基質(zhì)材料；所述異質(zhì)基質(zhì)材料選取藍寶石、 硅單晶、氮化鋁或碳化硅。
4. 如權(quán)利要求2所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 在步驟2)中，所述在基質(zhì)材料上外延生長n型GaN基半導體層的方法是采用金屬有機化學氣 相沉積法；所述n型GaN基半導體層的施主雜質(zhì)為Si、 Sn或Se，雜質(zhì)源為硅烷。
5. 如權(quán)利要求2所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 在步驟2)中，所述n型GaN基半導體層的厚度為400 3000nm。
6. 如權(quán)利要求2所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 在步驟3)中，所述在n型GaN基半導體層上交替生長GaN壘層和IriN阱層的生長溫度保持600 850 。C。
7. 如權(quán)利要求2所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 在步驟3)中，GaN壘層的厚度為7 14nm， InN阱層的厚度為0.25 0.75nm。
8. 如權(quán)利要求2所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 在步驟4)中，所述p型GaN層的受主雜質(zhì)為Mg、 Be或Zn，雜質(zhì)源為二茂鎂，載氣為氫氣或氮 氣。
9. 如權(quán)利要求2所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于在步驟4)中，所述p型GaN基半導體層的厚度為50 400nm。
10.如權(quán)利要求2所述的基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 在步驟5)中，所述退火的溫度為500 1200'C。
全文摘要
基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)及其制備方法，涉及一種發(fā)光二極管。提供一種基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)及其制備方法。所述基于InN/GaN應(yīng)變量子阱紫外LED結(jié)構(gòu)自底層至頂層依次為同質(zhì)基質(zhì)材料層或異質(zhì)基質(zhì)材料層，n型GaN基半導體層，InN/GaN應(yīng)變量子阱，p型GaN基半導體層，n型GaN基半導體層上設(shè)有負電極，p型GaN半導體層設(shè)有正電極。選擇基質(zhì)材料；在基質(zhì)材料上外延生長n型GaN基半導體層；在n型GaN基半導體層上交替生長GaN壘層和InN阱層3～11個周期；在最上一層InN阱層上生長p型GaN基半導體層，退火，在p型和n型GaN層上制備正負電極。
文檔編號H01L33/00GK101621108SQ200910112318
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者劉達藝, 康俊勇, 李書平, 楊偉煌, 偉 林, 陳珊珊, 陳航洋 申請人:廈門大學