基于INN/GAN应变量子阱紫外LED结构及其制备方法.pdf

基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构及其制备方法，涉及一种发光二极管。提供一种基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构及其制备方法。所述基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构自底层至顶层依次为：同质基质材料层或异质基质材料层，n型GaN基半导体层，InN/GaN应变量子阱，p型GaN基半导体层，n型GaN基半导体层上设有负电极，p型GaN半导体层设有正电极。选择基质材料；在基质材料上外延生长n型GaN基半导体层；在n型GaN基半导体层上交替生长GaN垒层和InN阱层3～11个周期；在

1.  基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构，其特征在于其结构自底层至顶层依次为：同质基质材料层或异质基质材料层，n型GaN基半导体层，InN/GaN应变量子阱，p型GaN基半导体层，所述p型GaN半导体层设有正电极，n型GaN基半导体层上设有负电极。

2.  如权利要求1所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)选择基质材料；
2)在基质材料上外延生长n型GaN基半导体层；
3)在n型GaN基半导体层上交替生长GaN垒层和InN阱层3～11个周期；
4)在最上一层InN阱层上生长p型GaN基半导体层，完成外延生长；
5)在N₂气氛下对步骤4)所得的材料退火，在p型GaN层上制备正电极，在n型GaN层上制备负电极，即得目标产物。

3.  如权利要求2所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述基质材料为同质基质材料或异质基质材料；所述异质基质材料选取蓝宝石、硅单晶、氮化铝或碳化硅。

4.  如权利要求2所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述在基质材料上外延生长n型GaN基半导体层的方法是采用金属有机化学气相沉积法；所述n型GaN基半导体层的施主杂质为Si、Sn或Se，杂质源为硅烷。

5.  如权利要求2所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述n型GaN基半导体层的厚度为400～3000nm。

6.  如权利要求2所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述在n型GaN基半导体层上交替生长GaN垒层和InN阱层的生长温度保持600～850℃。

7.  如权利要求2所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于在步骤3)中，GaN垒层的厚度为7～14nm，InN阱层的厚度为0.25～0.75nm。

8.  如权利要求2所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述p型GaN层的受主杂质为Mg、Be或Zn，杂质源为二茂镁，载气为氢气或氮气。

9.  如权利要求2所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述p型GaN基半导体层的厚度为50～400nm。

10.  如权利要求2所述的基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述退火的温度为500～1200℃。

基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管，尤其是涉及一种基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构及其制备方法。
背景技术
自20世纪90年代InGaN基发光二极管(LED)问世后，由于市场价值高、发展潜力大，无论工商业界、学术、研究单位皆投入相当大的人力与物力，InGaN基LED目前已成为发展最快、应用广泛的高新技术。特别是在全球变暖现象日益严峻的大环境下，InGaN基LED固态照明具备的寿命长(达到10万小时)、节能(能耗为白炽灯的1/8～1/10之间、节能荧光灯的1/3)、环保(可回收、无污染)等先天优势，成为取代传统白炽灯、荧光灯的理想照明方案。目前，用于固态照明的大功率GaN基LED多采用蓝光与黄色荧光结合得到高亮度白光，然而，紫外光直接激发红绿蓝荧光得到高亮度白光是固态照明未来的发展方向。近年来，紫外GaN基LED主要采用低组分InGaN构造有源层，由于InGaN中固有的相偏析属性(R.W.Martin et.al.，Origin of luminescence from InGaN diodes，Phys.Rev.Lett.，82(1999)237)，使得生长的InGaN量子阱常常为两种或者多种不同In含量InGaN的混合体，量子能级乃至发光波长的精确控制难度大。同时，极化场造成的电子空穴空间分离，并直接影响到它们的复合发光几率等光学性质，使得波长控制问题变得更加错综复杂。加上不同In含量InGaN的无序混合，常引入非辐射复合中心，严重影响了器件的性能。这些特性在金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等不同技术生长的InGaN材料中都非常明显，成为制约紫外InGaN基LED技术发展的重要瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构及其制备方法。
本发明的技术方案是采用超薄InN替代传统低组分InGaN作为阱层，与GaN垒层形成应变量子阱。
本发明所述基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构自底层至顶层依次为：同质基质材料层或异质基质材料层，n型GaN基半导体层，InN/GaN应变量子阱，p型GaN基半导体层，所述n型GaN基半导体层上设有负电极，p型GaN半导体层设有正电极。
本发明所述基于InN/GaN应变量子阱紫外LED结构的制备方法包括以下步骤：
1)选择基质材料；
2)在基质材料上外延生长n型GaN基半导体层；
3)在n型GaN基半导体层上交替生长GaN垒层和InN阱层3～11个周期；
4)在最上一层InN阱层上生长p型GaN基半导体层，完成外延生长；
5)在N₂气氛下对步骤4)所得的材料退火，在p型GaN层上制备正电极，在n型GaN层上制备负电极，即得目标产物。
在步骤1)中，所述基质材料为同质基质材料或异质基质材料，最好选取同质基质材料；所述异质基质材料可选取蓝宝石、硅单晶、氮化铝或碳化硅等。
在步骤2)中，所述在基质材料上外延生长n型GaN基半导体层的方法最好采用金属有机化学气相沉积法；所述n型GaN基半导体层的施主杂质最好为Si、Sn或Se等，杂质源最好为硅烷等；所述n型GaN基半导体层的厚度最好为400～3000nm。
在步骤3)中，所述在n型GaN基半导体层上交替生长GaN垒层和InN阱层的生长温度最好在保持600～850℃；GaN垒层的厚度最好为7～14nm，InN阱层的厚度最好为0.25～0.75nm。
在步骤4)中，所述p型GaN层的受主杂质最好为Mg、Be或Zn等，杂质源最好为二茂镁，载气优选氢气或氮气；所述p型GaN基半导体层的厚度最好为50～400nm。
在步骤5)中，所述退火的温度最好为500～1200℃。
与现有的技术相比，采用本发明制备的应变InN/GaN量子阱LED具有以下突出优点：因阱层厚度小于产生范性形变的临界值，晶格互不匹配的阱与垒发生弹性形变形成共格生长的应变量子阱。通过形变产生的应力抑制组分相变，实现组分均匀的量子阱制备，提高晶体质量；并借助阱内应力调制能带和量子能级，控制工作波长于紫外光(380～400nm)区域；此外，利用应变InN/GaN量子阱厚度超薄的特点，大幅度缩小了电子和空穴的空间距离，促进二者复合发光，提高了发光效率。
附图说明
图1为本发明实施例1中的紫外LED外延片结构示意图。在图1中，代号B为GaN垒层，W为InN阱层；P和N分别为p型GaN层与n型GaN层；PE和NE分别为正电极与负电极；C为基质层。
图2为本发明实施例1中不同状态下量子阱晶体结构(虚线框上部)和对应能带结构图(虚线框下部)。在图2中，(a)形成应变量子阱前块体材料状态下；(b)应变量子阱；(c)调节InN阱层厚度后的应变量子阱。加厚阱宽，垒层受到更大张应力，量子阱整体a轴晶格变大，改变了原子间轨道耦合，最终导致阱内量子能级间距减小，发光峰红移；(d)调节垒层厚度后的应变量子阱。加厚垒层厚度，阱层受到更大压应力，量子阱整体a轴晶格减小，阱内量子能级间距增大，发光峰蓝移。
图3为本发明实施例1中样品I与样品II紫外LED外延片电致发光图。样品I与样品II通过控制生长适当的阱层与垒层厚度，使得发光峰波长在近紫外380～400nm范围内可调；在图3中，横坐标为波长Wavelength(nm)，纵坐标为规一化强度Normalized intensity(a.u.)；实线为样品I，虚线为样品II。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图1，采用金属有机化学气相沉积法进行外延生长。将蓝宝石衬底(基质材料)装入反应腔，采用两步生长法在蓝宝石衬底上外延生长(900～1100℃)GaN基化合物基质层；随后生长n型GaN基半导体层，n型GaN基半导体层的厚度为400～3000nm，在n型GaN基半导体层上交替生长GaN垒层和InN阱层3～11个周期，InN阱层和GaN垒层的厚度根据发光波长设计，样品I厚度控制InN阱层约为0.25nm，GaN垒层约为7.9nm，样品II厚度控制InN阱层约为0.5nm，GaN垒层约为12nm；在最上一层InN阱层上生长p型GaN基半导体层，完成外延生长。生长结束后，将外延片在N₂气氛中炉外退火，退火温度为500～750℃，25min，以激活材料中的Mg受主，提高空穴浓度。在生长过程中采用三甲基镓、三甲基铝作为III族源，高纯氨作为V族源，高纯氢气作为载气，二茂镁、高纯硅烷作为掺杂源。最后在p型GaN层上制备正电极，在n型GaN层上制备负电极，即得目标产物。
实施例2
与实施例1类似，其区别在于基质材料采用硅单晶或碳化硅，厚度控制InN阱层约为0.75nm，GaN垒层约为14nm，退火温度为1100～1200℃。