《LED多量子阱結構裝置及生長方法》是圓融光電科技有限公司於2014年1月14日申請的發明專利，該專利申請號為201410016436X，公布號為CN103779465A，專利公布日為2014年5月7日，發明人是蔡武、鄭遠志、周德保、楊東、陳向東、康建、梁旭東。
《LED多量子阱結構裝置及生長方法》提供的裝置包括：能帶能被調控的LED多量子阱結構，所述LED多量子阱結構從下往上包括依次交替生長的勢壘層、銦組分遞減的第一勢阱層以及銦組分遞增的第二勢阱層。該結構通過調整勢阱中的銦組分合理有效的改變能帶形狀，在量子阱有源區兩端形成兩個複合中心，增加有源區中電子和空穴波函式的疊加重合區域，提高輻射複合效率，從而提高了LED的發光效率。另外，In組分的漸變能顯著提高LED的波長穩定性等工作性能。因此，該多量子阱結構裝置可運用於InGaN基藍光和綠光LED，提高藍光和綠光LED有源區的內量子阱效率，進而提高LED的發光效率。
2020年7月17日，《LED多量子阱結構裝置及生長方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《LED多量子阱結構裝置及生長方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：LED多量子阱結構裝置及生長方法
- 公布號：CN103779465A
- 公布日：2014年5月7日
- 申請號：201410016436X
- 申請日：2014年1月14日
- 申請人：圓融光電科技有限公司
- 地址：安徽省馬鞍山市經濟開發區湖西大道南路259號1-一層
- 發明人：蔡武、鄭遠志、周德保、楊東、陳向東、康建、梁旭東
- 代理機構：北京同立鈞成智慧財產權代理有限公司
- 代理人：劉芳
- Int.Cl.：H01L33/12(2010.01)I；H01L33/06(2010.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
以氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶材料，是繼矽（Si）和砷化鎵（GaAs）之後的第三代半導體材料，主要用來製作發光二極體（Light Emitting Diode，LED）、雷射器、探測器、高頻高功率電晶體等電子器件。
由於GaN基材料是離子晶體，其正負電荷不重合，形成自發極化。另外，由於銦氮化稼InGaN和GaN材料之間的晶格失配，又會引起壓電極化，進而形成壓電極化場。壓電極化場引起量子限制斯塔克效應（Quantum Confinement Stark Effect，QCSE），即壓電極化場導致量子阱中能帶彎曲，導帶在P型一側較低，n型一側被抬高，具體可參見圖1A與圖1B，圖1A為2014年1月之前的技術中傳統量子阱的未考慮QCSE影響的能帶圖，圖1B為2014年1月之前的技術中傳統量子阱的考慮QCSE影響的能帶圖。因此，實際量子阱呈三角形，電子向P型一側聚集，空穴則相反向n型一側聚集，即在空間上被分離，電子和空穴的空間波函式的交疊面積減小，降低其輻射複合幾率。而且，隨著InGaN中In組分的增加和勢阱層厚度的增加，QCSE也會逐漸增強。因此，儘量避免QCSE對於提升LED的性能至關重要。
已經有人針對以上問題提出三角形量子阱，使得空穴和電子被限制在勢能最低處，這樣壓電極化場導致的能帶彎曲造成的電子空穴的空間分離會稍有減弱，但作用有限。
發明內容
專利目的
《LED多量子阱結構裝置及生長方法》的目的是提供一種LED多量子阱結構裝置及生長方法，通過調整勢阱中的銦組分合理有效的改變能帶形狀，在量子阱有源區兩端形成兩個複合中心，增加有源區中電子和空穴波函式的疊加重合區域，提高輻射複合效率，從而提高了LED的發光效率。
技術方案
第一個方面，《LED多量子阱結構裝置及生長方法》實施例提供一種LED多量子阱結構裝置，包括：
能帶能被調控的LED多量子阱結構，所述LED多量子阱結構從下往上依次為交替生長的勢壘層、銦組分遞減的第一勢阱層以及銦組分遞增的第二勢阱層。
在第一個方面的第一種可能的實現方式中，所述勢壘層的厚度為5～20納米。
在第一個方面的第二種可能的實現方式中，所述第一勢阱層的厚度為1～3納米，所述第一勢阱層中銦組分遞減的差值範圍為1%～15%。
在第一個方面的第三種可能的實現方式中，所述第二勢阱層的厚度為1～3納米，所述第二勢阱層中銦組分遞增的差值範圍為1%～15%。
結合第一個方面、第一個方面的第一種、第二種或第三種中任一種可能的實現方式，在第一個方面的第四種可能的實現方式中，所述勢壘層、所述第一勢阱層以及所述第二勢阱層為一組，交替生長周期為3～15組。
第二個方面，該發明實施例提供一種LED多量子阱結構裝置的外延生長方法，包括：
步驟1、在LED多量子阱結構裝置之下從下往上依次生長低溫緩衝層、非故意摻雜層、n型摻雜層以及量子阱過度層；
步驟2、生長所述LED多量子阱結構裝置，所述LED多量子阱結構裝置包括能帶能被調控的LED多量子阱結構，所述LED多量子阱結構從下往上依次交替生長勢壘層、銦組分遞減的第一勢阱層以及銦組分遞增的第二勢阱層；
步驟3、在所述LED多量子阱結構裝置之上從下往上依次生長p型摻雜層與金屬接觸層。
在第二個方面的第一種可能的實現方式中，所述步驟2中生長勢壘層包括：在生長溫度為800～950℃下，生長厚度為5～20納米的所述勢壘層。
在第二個方面的第二種可能的實現方式中，所述步驟2中生長銦組分遞減的第一勢阱層包括：
在生長溫度為700～800℃下，生長銦組分遞減的差值範圍為1%～15%、厚度為1～3納米的所述第一勢阱層。
在第二個方面的第三種可能的實現方式中，所述步驟2中生長銦組分遞增的第二勢阱層包括：
在生長溫度為700～800℃下，生長銦組分遞增的差值範圍為1%～15%、厚度為1～3納米的所述第二勢阱層。
結合第二個方面、第二個方面的第一種、第二種或第三種中任一種可能的實現方式，在第二個方面的第四種可能的實現方式中，所述步驟2中，所述勢壘層、所述第一勢阱層以及所述第二勢阱層為一組，交替生長周期為3～15組。
改善效果
《LED多量子阱結構裝置及生長方法》實施例提供的LED多量子阱結構裝置及生長方法，通過調整勢阱中的銦組分合理有效的改變能帶形狀，在量子阱有源區兩端形成兩個複合中心，增加有源區中電子和空穴波函式的疊加重合區域，提高輻射複合效率，從而提高了LED的發光效率。另外，In組分的漸變能顯著提高LED的波長穩定性等工作性能。因此，該多量子阱結構裝置可運用於InGaN基藍光和綠光LED，提高藍光和綠光LED有源區的內量子阱效率，進而提高LED的發光效率。
附圖說明
圖1A為2014年1月之前的技術中傳統量子阱的未考慮QCSE影響的能帶圖；
圖1B為2014年1月之前的技術中傳統量子阱的考慮QCSE影響的能帶圖；
圖2為《LED多量子阱結構裝置及生長方法》實施例一提供的LED多量子阱結構裝置的示意圖；
圖3A為圖2所示LED多量子阱結構裝置的未考慮QCSE影響的能帶圖；
圖3B為圖2所示LED多量子阱結構裝置的考慮QCSE影響的能帶圖；
圖4為該發明實施例二提供的LED多量子阱結構裝置的外延生長方法的流程圖；
圖5為該發明實施例三提供的外延生長過程中LED多量子阱結構生長參數示意圖；
圖6為該發明實施例四提供的外延生長過程中LED多量子阱結構生長參數示意圖；
圖7為該發明實施例五提供的外延生長過程中LED多量子阱結構生長參數示意圖；
圖8為該發明LED多量子阱結構裝置和傳統多量子阱的激發強度對比圖。
技術領域
《LED多量子阱結構裝置及生長方法》涉及半導體技術，尤其涉及一種LED多量子阱結構裝置及生長方法。
權利要求
1.一種LED多量子阱結構裝置，其特徵在於，包括：能帶能被調控的LED多量子阱結構，所述LED多量子阱結構從下往上包括依次交替生長的勢壘層、銦組分遞減的第一勢阱層以及銦組分遞增的第二勢阱層。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述勢壘層的厚度為5～20納米。
3.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述第一勢阱層的厚度為1～3納米，所述第一勢阱層中銦組分遞減的差值範圍為1%～15%。
4.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述第二勢阱層的厚度為1～3納米，所述第二勢阱層中銦組分遞增的差值範圍為1%～15%。
5.根據權利要求1～4任一項所述的裝置，其特徵在於，所述勢壘層、所述第一勢阱層以及所述第二勢阱層為一組，交替生長周期為3～15組。
6.一種LED多量子阱結構裝置的外延生長方法，其特徵在於，包括：步驟1、在LED多量子阱結構裝置之下從下往上依次生長低溫緩衝層、非故意摻雜層、n型摻雜層以及量子阱過度層；步驟2、生長所述LED多量子阱結構裝置，所述LED多量子阱結構裝置包括能帶能被調控的LED多量子阱結構，所述LED多量子阱結構從下往上依次交替生長勢壘層、銦組分遞減的第一勢阱層以及銦組分遞增的第二勢阱層；步驟3、在所述LED多量子阱結構裝置之上從下往上依次生長p型摻雜層與金屬接觸層。7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述步驟2中生長勢壘層包括：在生長溫度為800～950℃下，生長厚度為5～20納米的所述勢壘層。8.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述步驟2中生長銦組分遞減的第一勢阱層包括：在生長溫度為700～800℃下，生長銦組分遞減的差值範圍為1%～15%、厚度為1～3納米的所述第一勢阱層。
9.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述步驟2中生長銦組分遞增的第二勢阱層包括：在生長溫度為700～800℃下，生長銦組分遞增的差值範圍為1%～15%、厚度為1～3納米的所述第二勢阱層。
10.根據權利要求6～9任一項所述的方法，其特徵在於，所述步驟2中，所述勢壘層、所述第一勢阱層以及所述第二勢阱層為一組，交替生長周期為3～15組。
實施方式
參照圖2，《LED多量子阱結構裝置及生長方法》實施例提供的多量子阱結構裝置15，通過調整第一勢阱15b與第二勢阱層15c中的In組分合理有效的改變能帶形狀，在量子阱有源區兩端形成兩個複合中心，增加了有源區中電子與空穴波函式的疊加重合區域，提高了輻射複合效率。具體的，請參照圖3A與圖3B，圖3A為圖2所示LED多量子阱結構裝置的未考慮QCSE影響的能帶圖，圖3B為圖2所示LED多量子阱結構裝置的考慮QCSE影響的能帶圖。
該發明實施例提供的多量子阱結構裝置，通過調整勢阱中的銦組分合理有效的改變能帶形狀，在量子阱有源區兩端形成兩個複合中心，增加有源區中電子和空穴波函式的疊加重合區域，提高輻射複合效率，從而提高了LED的發光效率。另外，In組分的漸變能顯著提高LED的波長穩定性等工作性能。因此，該多量子阱結構裝置可運用於InGaN基藍光和綠光LED，提高藍光和綠光LED有源區的內量子阱效率，進而提高LED的發光效率。
可選的，請參照圖1，具有雙複合中心的LED多量子阱結構裝置15，其生長氣氛例如為氮氣（N2）氣氛，生長壓力為50～500托（托），勢壘層15a例如可以為氮化鎵（GaN），其厚度為5～20納米；第一勢阱層15b例如可以為700～800℃下生長成的組分遞減的銦氮化稼（InGaN），其厚度為1～3納米，銦（In）組分遞減的差值範圍為1%～15%；第二勢阱層15c例如可以為700～800℃下生長成的組分遞增的InGaN，其厚度為1～3納米，銦In組分遞曾的差值範圍為1%～15%。
可選的，請參照圖1，LED多量子阱結構裝置15的勢壘層15a、第一勢阱層15b以及第二勢阱層15c為一組，交替生長周期為3～15組。
圖4為該發明實施例二提供的LED多量子阱結構裝置的外延生長方法的流程圖。具體的，該實施例包括如下步驟：
步驟1、在LED多量子阱結構裝置之下從下往上依次生長低溫緩衝層、非故意摻雜層、n型摻雜層以及量子阱過度層；
步驟2、生長所述LED多量子阱結構裝置，所述LED多量子阱結構裝置包括能帶能被調控的LED多量子阱結構，所述LED多量子阱結構從下往上依次交替生長勢壘層、銦組分遞減的第一勢阱層以及銦組分遞增的第二勢阱層；
可選的，本步驟中，可以在生長溫度為800～950℃下，生長厚度為5～20納米的勢壘層，勢壘層例如可以為GaN。
可選的，本步驟中，可以在生長溫度為700～800℃下，生長In組分遞減的差值範圍為1%～15%、厚度為1～3納米的第一勢阱層，第一勢阱層例如可以為InGaN。
可選的，本步驟中，可以在生長溫度為700～800℃下，生長In組分遞增的差值範圍為1%～15%、厚度為1～3納米的第二勢阱層，第二勢阱層例如為可以為InGaN。
可選的，本步驟中，第一勢阱層、第二勢阱層以及勢壘層的交替生長周期為3～15。
步驟3、在所述LED多量子阱結構裝置之上從下往上依次生長p型摻雜層與金屬接觸層。
該發明實施例提供的LED多量子阱結構裝置的外延生長方法，在生長LED多量子阱結構的外延的過程中，通過調整勢阱中的銦組分合理有效的改變能帶形狀，在量子阱有源區兩端形成兩個複合中心，增加有源區中電子和空穴波函式的疊加重合區域，提高輻射複合效率，從而提高了LED的發光效率。另外，In組分的漸變能顯著提高LED的波長穩定性等工作性能。因此，該多量子阱結構裝置可運用於InGaN基藍光和綠光LED，提高藍光和綠光LED有源區的內量子阱效率，進而提高LED的發光效率。
一般來說，由於溫度的變化可引發In組分的變化、鎵源流量的變化可以引發In組分的變化、銦源流量的變化可以引發In組分的變化。因此，可通過調節溫度、鎵源流量、銦源流量來調整勢阱中的In組分。下面，用幾個具體的實施例來說明。
在該發明實施例三提供的生長高亮度氮化鎵LED外延片的過程中，通過調節溫度來調整勢阱中的In組分，具體可參見圖5，圖5為該發明實施例三提供的外延生長過程中LED多量子阱結構生長參數示意圖。
具體的，該實施例採用的設備為美國維易科（VEECO）廠商提供的K465i金屬有機化學氣相沉積（Metal-organicChemicalVaporDeposition，MOCVD）設備，採用高純氫氣H2、高純N2或高純H2/N2混氣做載氣，高純氨（NH3）做N源，金屬有機物三甲基鎵（TMGa）或三乙基鎵（TEGa）做鎵源，三甲基銦做銦源，N型摻雜劑為200百萬分比濃度矽烷（SiH4），P型摻雜劑為二茂鎂（Cp2Mg），襯底為002面的藍寶石PSS。該生長過程中LED多量子阱結構生長參數示意圖5所示。具體的，該實施例的生長方式如下：
步驟1、在LED多量子阱結構裝置之下從下往上依次生長低溫緩衝層、非故意摻雜層、n型摻雜層以及量子阱過度層。
具體的，該步驟包括如下子步驟：
步驟1.1、MOCVD反應室溫度升至1080℃，在200托壓力下，高溫處理5分鐘。
步驟1.2、降溫到530℃，在200托壓力下，生長35納米低溫緩衝層。
步驟1.3、升溫到1080℃，在200托壓力下，生長1.7微米非故意摻雜層。
步驟1.4、、降溫到1070℃，在200托壓力下，生長3.2微米的N型摻雜層，其中N摻雜濃度為5E+18atom/立方厘米。
步驟1.5、降溫到850℃，在200托壓力下，生長300納米量子阱過渡層，其中N摻雜濃度為8E+17atom/立方厘米，In組分為多量子阱層的30%。
步驟2、生長LED多量子阱結構裝置，LED多量子阱結構裝置包括能帶能被調控的LED多量子阱結構，LED多量子阱結構從下往上依次交替生長勢壘層、銦組分遞減的第一勢阱層以及銦組分遞增的第二勢阱層。
具體的，該步驟包括如下子步驟：
步驟2.1a、升溫到870℃，在200托壓力下，生長13.5納米的勢壘層。
步驟2.2a、降溫到760℃，在200托壓力下，TMIn流量400sccm，TEGa流量180sccm，溫度由760℃漸變Ramp到770℃，生長1.75納米的第一勢阱層。
步驟2.3a、維持其它條件不變，生長溫度由770℃漸變Ramp到760℃，生長1.75納米的第二勢阱層。
步驟2.4a、重複步驟2.1～2.3，例如重複11次。
步驟3、在LED多量子阱結構裝置之上從下往上依次生長p型摻雜層與金屬接觸層。
具體的，該步驟包括如下子步驟：
步驟3.1、升溫到870℃，在200托壓力下，生長13.5納米的最後壘層。
步驟3.2、升溫到980℃，在200托壓力下，生長250納米的P型摻雜層。
步驟3.3、降溫到750℃，在200托壓力下，生長2納米的金屬接觸層，並維持10min，做最後退火處理。
在該發明實施例四提供的生長高亮度氮化鎵LED外延片的過程中，通過調節鎵源流量來調整勢阱中的In組分，具體可參見圖6，圖6為該發明實施例四提供的外延生長過程中LED多量子阱結構生長參數示意圖。
較於上述實施例三，該實施例的步驟1與步驟3實施例三的過程相同，此處不再贅述。該實施例與實施例三的差異之處在於步驟2，具體的，該實施例中，步驟2具體包括如下子步驟：
步驟2.1b、升溫到870℃，在200托壓力下，生長13.5納米的勢壘層。
步驟2.2b、降溫到760℃並保持溫度恆定，在200托壓力下，TMIn流量400sccm，TEGa流量由140sccm漸變Ramp到220sccm，生長1.75納米的第一勢阱層。
步驟2.3b、維持其它條件不變，TEGa流量由220sccm漸變Ramp到140sccm，生長1.75納米的第二勢阱層。
步驟2.4b、重複步驟2.1～2.3，例如重複11次。
在該發明實施例五提供的生長高亮度氮化鎵LED外延片的過程中，通過調節銦源流量來調整勢阱中的In組分，具體可參見圖7，圖7為該發明實施例五提供的外延生長過程中LED多量子阱結構生長參數示意圖。
較於上述實施例三，該實施例的步驟1與步驟3實施例三的過程相同，此處不再贅述。該實施例與實施例三的差異之處在於步驟2，具體的，該實施例中，步驟2具體包括如下子步驟：
步驟2.1c、升溫到870℃，在200托壓力下，生長13.5納米的勢壘層。
步驟2.2c、降溫到760℃並保持溫度恆定，在200托壓力下，TEGa流量180sccm，TMIn流量由420sccm漸變Ramp到380sccm，生長1.75納米的第一勢阱層。
步驟2.3c、維持其它條件不變，TMIn流量由380sccm漸變Ramp到420sccm，生長1.75納米的第二勢阱層。
步驟2.4c、重複步驟2.1～2.3，例如重複11次。
圖8為該發明LED多量子阱結構裝置和傳統多量子阱的激發強度對比圖，其中，橫坐標為數量，縱坐標為發光強度，灰色曲線表示傳統多量子阱的激發強度，黑色曲線表示發明LED多量子阱結構裝置的激發強度。請參照圖8，當數量相同時，該發明實施例提供的LED
多量子阱結構裝置的激發強度高於傳統多量子阱結構的激發強度。
榮譽表彰
2020年7月17日，《LED多量子阱結構裝置及生長方法》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
