[发明专利]一种可调控能带的LED量子阱结构

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种可调控能带的LED量子阱结构。该发明可以有效的提高发光二极管的内量子效率，进而提高LED的辐射效率和功率，可用于蓝光和绿光LED中。

背景技术

近些年来氮化镓基LED的迅猛发展，白光LED效率有了很大提高，取代目前照明所用的白炽灯和荧光灯已指日可待。但是其效率相对理论值还有很大提升空间。而长久以来，限制白光LED效率提高的因素也很多。其中深受广大学者关注的一个难题就是大电流下LED效率衰减。造成效率衰减的因素有很多，如俄歇复合、空穴的低注入效率、载流子泄露、In局域化等，目前还没有统一的定论。Min-Ho Kim

等人则认为多量子阱区和电子阻挡层中的极化电场是导致GaN基LED效率DROOP的主要原因。极化电场导致量子阱中能带弯曲，导带在p型一侧较低，n型一侧被抬高，因此实际量子阱呈现为三角形，电子向p型一侧聚集，空穴则向相反方向n型一侧聚集，即在空间上被分离，由此导致电子空穴波函数的重叠积分减小，因此复合效率降低，从而使得LED效率降低。此外，极化电场带来的能带弯曲使得量子垒形成三角势垒，会阻止电流扩散，因此需要增大电压来使电子通过势垒。当电流超过一定值时，工作电压大于内建电场，n型区导带高于p型区导带，导致大量电子泄漏。有学者提出用与InGaN量子阱极化匹配的AlInGaN量子垒，从而消除极化电场的影响。另有学者采用三角形量子阱使得电子空穴被限制在势能最低处，这样极化电场导致的能带弯曲不会造成电子空穴在空间上的分离，电子空穴波函数重叠积分对极化效应不再敏感，因而LED的复合效率也不再受到极化效应的严重影响。然而，对于采用AlInGaN量子垒的方法，由于其Al和In的并入较为困难，因此一直都很难获得较高晶体质量的AlInGaN外延材料。而对于三角形量子阱的方法，由于量子阱层厚度一般只有几个纳米，生长时间很短，在如此短的时间内要想完美的实现组分如此巨大的渐变对于MOCVD外延生长也是一个高难度的挑战。本发明则立足于GaN基量子阱中极化电场与组分的关系，通过设计组分实现强度渐变的极化电场，再通过极化电场以及组分对能带的作用调控量子阱中能带，使得量子阱在很小的组分渐变下即实现削弱能带弯曲的现象，最终实现提高LED内量子效率的目的。

发明内容

本发明所要解决的问题是发光二极管有源区多量子阱中出辐射复合效率低的问题。为此本发明提出了一种具有能带调控量子阱的多量子阱结构及其制作方法。

本发明提出的可调控能带的LED量子阱结构，其包括至少一个能带被调控的量子阱结构，该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。

本发明提出的一种可调控能带的LED量子阱结构装置的外延生长方法，包括：

步骤1、在蓝宝石衬底上依次生长低温氮化镓缓冲层、氮化镓成核层、n型氮化镓层；

步骤2、生长InGaN能带调控量子阱结构；该能带调控量子阱结构由量子阱势垒层和组分渐变量子阱势阱层交替生长而成。

该多量子阱结构可应用于InGaN基蓝光和绿光LED，提高InGaN基蓝光和绿光LED有源区的内量子效率，进而提高LED的功率和效率。

附图说明

图1为本发明优选实施例中可调控能带的LED量子阱结构装置的截面结构示意图。

图2为本发明的优选实施例中可调控能带的LED量子阱结构装置与常规多量子阱结构装置在100A/cm²的电流密度下的能带对比图。

图3为理论计算本发明上述优选实施例中可调控能带的LED量子阱结构装置最后一个量子阱与常规多量子阱结构顶部最后一个量子阱中的电子空穴波函数空间分布对比图。

图4为本发明可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第一优选实施例中相关参数的变化示意图。

图5为本发明可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第二优选实施例中相关参数的变化示意图。

图6为本发明可调控能带的LED量子阱结构外延生成方法的第三优选实施例中相关参数的变化示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

参照图1所示，本发明公开了一种可调控能带的LED量子阱结构装置，从下往上为外延生长方向，其中外延生长方向所对应晶面为极性面和半极性面，优选(0001)晶面。该装置的量子阱结构沿着外延生长方向包括：