[发明专利]一种具有应变补偿结构的InGaN量子点LED外延结构

说明书

本发明属于半导体光电子材料领域，提供了一种具有应变补偿结构的InGaN量子点LED外延结构，包括由下而上设置的蓝宝石衬底层、GaN低温形核层、U‑GaN层、N‑GaN层、含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区、电子阻挡层和P‑GaN层，所述含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，所述中间垒层包括应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于GaN的垒层。通过在InGaN量子点LED外延结构中引入应变补偿结构，本发明带来如下有益效果：(1)消除了多层量子点结构中的应变积累；(2)提高了InGaN量子点生长的可控性。

技术领域

本发明属于半导体光电子材料领域，特别涉及一种具有应变补偿结构的InGaN量子点LED外延结构。

背景技术

GaN基LED被称为第四代照明光源，具有能耗低、寿命长、体积小、亮度高等优点，已逐渐取代传统的白炽灯与荧光灯，成为照明市场的主流光源。

GaN基LED中，最成功的蓝光LED内量子效率最高达到90%以上，外量子效率也达到80%。蓝光LED能量转换效率高、能耗低、寿命长，为照明产业带来了一场空前的技术革命，蓝光LED的发明人中村修二、天野浩、赤崎勇三人也因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。

蓝光LED所采用的发光材料为InGaN/GaN多量子阱，其中InGaN层为量子阱层，GaN为垒层。发光波长可通过改变垒层的In组分及厚度来调节。

InGaN材料的发光波长主要取决于其带隙宽度，In组分越高，带隙越窄，波长越长。通过改变In组分，波长在紫外到红外范围内连续可调。但在LED外延结构中，InGaN量子阱中的In组分受到了GaN基底材料的限制。随着In组分的提高，InGaN材料晶格常数增大。当InGaN/GaN多量子阱的发光波长由蓝光波段红移至绿光波段时，In组分达到近30%甚至超过30%，阱层应变过高，导致其内部出现了很高的缺陷密度，严重影响了绿光LED量子效率的提高；此外，高应变导致了强极化电场，使电子与空穴波函数空间分离，大大降低了辐射复合效率。

上述InGaN/GaN量子阱在黄绿光波段缺陷密度及极化电场升高导致量子效率低的问题被称为“Green Gap”。为了解决这个问题，研究人员提出了三种方案：第一种为在非极性或半极性衬底上生长LED外延结构；第二种为采用GaN基纳米棒阵列来制备3D LED；第三种则是利用多层InGaN量子点结构代替InGaN/GaN多量子阱作为黄绿光LED的有源区。对比以上三种方案，方案一虽然能解决极化电场问题，但半极性或非极性衬底的制备技术，以及外延生长技术还不成熟；方案二所采用的GaN基纳米棒阵列，其本身的制备技术尙有待完善，且无相配套的芯片制备方案；相对来说，方案三不仅能够解决高缺陷密度及强极化电场这两个科学问题，且能够直接抑制量子阱LED的芯片制备工艺，是最有可能解决“GreenGap”问题的方案。

为了实现高亮度的InGaN量子点LED，有源区往往采用多层InGaN量子点结构，这种结构同时也存在应变积累的问题，限制了量子点层数的增加。类似的，在InGaN/GaN多量子阱生长过程中，也存在应变积累问题。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种一种具有应变补偿结构的InGaN量子点LED外延结构，以解决LED外延结构在黄绿光波段缺陷密度及极化电场升高导致量子效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有应变补偿结构的InGaN量子点LED外延结构，包括由下而上依次设置的蓝宝石衬底层、GaN低温形核层、U-GaN层、N-GaN层、含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区、电子阻挡层和P-GaN层，所述含有应变补偿结构的InGaN量子点有源区包括底垒层、顶垒层、位于底垒层和顶垒层之间的多个InGaN量子点层和设置在各个InGaN量子点层之间的中间垒层，所述中间垒层包括应变补偿层，所述应变补偿层为晶格常数小于GaN的垒层。