[发明专利]用于光电器件的多量子阱结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于发光二极管、激光器、光探测器、太阳能电池等半导体光电器件的量子阱结构及制造方法，尤其是指用于半导体光电器件的多量子阱结构及制造方法。

背景技术

近年来，量子阱结构特别是多量子阱结构(MQW：Multi-Quantum-Well)的引入给半导体光电器件，诸如发光二极管、激光器、光探测器等的发展注入了新的活力。多量子阱结构中由于两种材料的禁带宽度不同而引起的沿薄层交替生长方向的附加周期势分布中的势阱称为量子阱。势阱层的禁带宽度应小于势垒层的禁带宽度，薄层的厚度应与半导体中电子的德布罗意波长(约为10nm)或电子平均自由程(约为50nm)有相同量级。

量子阱中电子与块状晶体中电子具有完全不同的性质，即表现出量子尺寸效应，这种效应大大地提高了器件性能。具有多量子阱结构的半导体光电器件具有寿命长、阈值电流小、效率高、光输出功率高等优点，再加上量子阱结构材料体积小易于集成，倍受研究人员重视，因而近年来，人们对量子阱材料的研究掀起了一股热潮。中国专利公告号CN1487604，公告日是2004年4月7日，名称为“GaN基多量子阱结构及采用该结构的发光二极管”中公开了一种GaN基多量子阱蓝光发光二极管，该二极管的多量子阱结构包括：p型掺杂的AlGaN层；n型掺杂的AlGaN层；及在AlGaN层之间的由p型掺杂的GaN层与不掺杂的InGaN层组成的N个量子阱；还包括在p型掺杂的AlGaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层及在n型掺杂的AlGaN层与N个量子阱之间的不掺杂的GaN隔离层，通过调整GaN隔离层的厚度，可以调整p-n结的位置，使之位于多量子阱区域，能增强发光二极管的发光强度。然而该专利所述的多量子阱结构，结构繁多，工艺复杂，生产成本较高。

目前，国际上普遍应用的多量子阱结构一般为InGaN/GaN多量子阱结构，由GaN势垒和InGaN势阱多层交叠而成。GaN势垒常掺入如Si、Ge等杂质以提高GaN的晶体质量，同时促使量子阱中的In凝聚成In团，使发光效率增强。InGaN势阱组份中In的含量对量子阱的带隙有较大影响，进而影响光电器件的发光波长。另外，武汉大学的刘志国等人在武汉大学学报上2001年6月公开发表的《InGaN/GaN量子阱动力学特征分析》一文中表明：In的含量对基态激子能量影响很大，而量子阱的宽度对基态激子能量也有一定影响。

由于目前对称性的量子阱结构中用于亮度提升即发光的量子阱主要存在于靠近P端的量子阱，如果可以迫使P层的空穴在电场作用下向靠近N层的方向移动以增加实际发光的量子阱数量则有利于内量子效率的提升。本发明靠近N层的量子阱宽度大于靠近P层的量子阱宽度的设计即为了实现这一目的，由于靠近N层的量子阱较宽具有较强储蓄的电子能力，这样就可以迫使空穴向N层附近移动，增加了发光量子阱的数量进而提高了量子阱的发光效率效率提升了亮度，并且可以有效降低发光波段的半宽提高光的纯度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种光电器件的GaN基多量子阱结构及其制造方法，该多量子阱结构可提升光电器件的内量子效率，将该多量子阱结构应用到发光二极管中，可有效地提高器件的发光效率提升亮度，并且降低发光波段的半宽提高光的纯度；如果应用于光探测器中，可提高器件的灵敏度降低暗电流。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

提供一种用于光电器件的多量子阱结构，包括n个依次交叠的量子阱结构，所述量子阱结构由势垒层和势阱层依次交叠而成，所述光电器件包括N型半导体层和P型半导体层，其特征在于：

靠近N型半导体层的势阱层的厚度大于靠近P型半导体层的势阱层的厚度，且靠近N型半导体层的第m个势阱层到第n个势阱层的厚度逐次变薄，所述的m为大于0小于n的整数，所述的n为大于等于8小于20的整数；

且该势垒层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物；该势阱层为由Ga、In、Al、N组成的二元、三元、四元化合物或混合物；靠近N型半导体层的势阱层中In的组分小于靠近P型半导体层的势阱层中In的组分。

该势阱层优选为In_xGa_1-xN，0＜x＜1。

作为本发明的优选方案之一，所述用于光电器件的多量子阱结构，其特征在于：靠近N型半导体层的前2～10个量子阱结构所对应的势垒层中含有Si或Ge掺杂元素。

本发明还提供一种制备所述用于光电器件的多量子阱结构的方法，包括以下步骤：