一种非极性面量子点发光二极管及其制备方法技术

一种非极性面量子点发光二极管，包括衬底及依次叠置于所述衬底上的、均为非极性面的u型GaN层、n型GaN层、有源区、p型电子阻挡层及p型GaN层，其中：有源区包括周期分布的、非极性面的InGaN量子点势阱层和GaN势垒层。以及一种非极性面量子点发光二极管的制备方法。在衬底上依次叠置非极性面的外延结构，一方面可消除量子限制斯塔克效应对器件的内量子效率的影响，有效的消除极化效应；另一方面，此晶面取向的发光二极管的发光波长可以延伸到深绿光，甚至橙光区，能缓解当今化合物半导体发光器件中的“绿隙”(green gap)问题。

Non polar surface quantum dot led and preparation method thereof

A non polar surface of quantum dot light-emitting diode comprises a substrate, and sequentially stacked on the substrate and are non polarity of the U - GaN layer, GaN layer, N type, P type active region electron blocking layer and the P type GaN layer, wherein the active region includes periodic distribution and non polarity the InGaN quantum well layer and GaN barrier layer. And a method for preparing non polar surface quantum dot led. On the substrate successively stacked non-polar surface epitaxy structure, one can eliminate the influence of the internal quantum efficiency of quantum confined Stark effect on the device, eliminating the polarization effect effectively; on the other hand, the wavelength of the light emitting diode of this orientation can be extended to the deep green, orange or light, can alleviate the compound a semiconductor light emitting device in the \green space\ (green gap) problem.

【技术实现步骤摘要】
一种非极性面量子点发光二极管及其制备方法
本专利技术属于半导体
，更具体地涉及一种非极性面量子点发光二极管及其制备方法。
技术介绍
作为第三代宽禁带半导体技术的典型应用，商业化的GaN基LEDs产品已覆盖了紫外到绿光光谱。作为一种发光器件，GaN基LEDs可广泛应用在室内外照明、商业照明、农业照明、交通照明、医用照明和显示背光源等诸多方面。对这一光源的关注，使得近年来GaN基LEDs的制备技术水平获得了大幅提升，但其中的一些技术瓶颈也日益凸显，仍然需要解决以下两个方面的关键科学技术问题。一方面，随着In含量的增加(从紫外到绿光)，高In含量的InGaN与GaN之间的品格失配增大，导致有源区位错密度很大，基于量子阱发光的LEDs性能严重下降，绿光波段(尤其是525～575nm波长范围)高效发光难以实现。另一方面，由纤锌矿晶体结构引发的强极化效应限制了GaN基材料效率的提高。沿着极轴[0001](c轴)晶向的压电极化和自发极化会导致在InGaN发光二极管的量子阱有源区形成大的内建电场(＞1MV/cm)。此电场会导致量子阱中电子和空穴波函数在空间上分离，从而减少辐射复合率。
技术实现思路
基于以上问题，本专利技术的主要目的在于提出一种非极性面量子点发光二极管及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种非极性面量子点发光二极管，包括衬底及依次叠置于衬底上的、均为非极性面的u型GaN层、n型GaN层、有源区、p型电子阻挡层及p型GaN层，其中：有源区包括周期分布的、非极性面的InGaN量子点势阱层和GaN势垒层。在本专利技术的一些实施例中，上述InGaN量子点势阱层和GaN势垒层的周期为3～15个；InGaN量子点势阱层中，量子点的密度、尺寸及InGaN材料中In的组分(即摩尔分数)与非极性面量子点发光二极管的发光波长相匹配。在本专利技术的一些实施例中，上述InGaN量子点势阱层采用S-K模式生长，量子点的密度为5×108～1×1012cm-2、直径为10～100nm、高度为2～12nm；InGaN材料中In的组分为0.3～0.6。在本专利技术的一些实施例中，上述非极性面量子点发光二极管：在衬底与u型GaN层之间还具有一应力协变层；该应力协变层是由至少一组柔性层和缓冲层退火形成的多孔或分立多单元结构。在本专利技术的一些实施例中，上述柔性层的材料、厚度、缓冲层的材料、厚度及退火条件均与u型GaN层和n型GaN层的应力相匹配。在本专利技术的一些实施例中，上述柔性层的主体材料包括InGaN、InN、ZnO、AlN或碳纳米棒；缓冲层的主体材料包括GaN、InN、ZnO、AlN或碳纳米棒。在本专利技术的一些实施例中，上述柔性层的主体材料为In组分(即摩尔分数)0.1～0.5的InGaN，该柔性层的厚度为20～100nm；缓冲层的主体材料为GaN，该缓冲层的厚度为30～150nm。在本专利技术的一些实施例中，上述u型GaN层的厚度为1～6μm；n型GaN层的厚度为2～4μm；p型电子阻挡层的主体材料为AlGaN，其中Al的组分(即摩尔分数)为0.08～0.3，厚度为2～50nm；p型GaN层的厚度为0.1～0.5μm。为了实现上述目的，作为本专利技术的另一个方面，本专利技术提出了一种上述非极性面量子点发光二极管的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在衬底上依次形成均为非极性面的u型GaN层、n型GaN层；步骤2、在n型GaN层上先生长一浸润层，然后生长非极性面的InGaN量子点，再在InGaN量子点上生长非极性面的GaN势垒层；重复上述步骤n次，形成有源区；步骤3、在有源区上形成均为非极性面的p型电子阻挡层及p型GaN层，完成非极性面量子点发光二极管的制备；其中，n为自然数。在本专利技术的一些实施例中，n的取值范围为3≤n≤15。在本专利技术的一些实施例中，上述有源区的形成环境为：温度600～750℃、压强100～760Torr。在本专利技术的一些实施例中，上述步骤1中形成u型GaN层之前，还包括以下步骤：在衬底上形成至少一组柔性层和缓冲层，至少一组柔性层和缓冲层退火后形成多孔或分立多单元结构的应力协变层；则u型GaN层形成于应力协变层上。在本专利技术的一些实施例中，上述柔性层的形成条件为：温度600～800℃、压强80～200Torr，TMIn和TMGa的流量分别为20～100sccm和5～50sccm。在本专利技术的一些实施例中，上述缓冲层的形成条件为：温度500～600℃、压强30～200Torr，TMGa的流量为5～50sccm。在本专利技术的一些实施例中，上述退火具体为：升温至950～1200℃，自升温时开始计时，退火3～10min后形成应力协变层。本专利技术提出的非极性面量子点发光二极管及其制备方法，具有以下有益效果：1、在衬底上依次叠置非极性面的外延结构，一方面可消除量子限制斯塔克效应对器件的内量子效率的影响，有效的消除极化效应；另一方面，此晶面取向的发光二极管的发光波长可以延伸到深绿光，甚至橙光区，能缓解当今化合物半导体发光器件中的“绿隙”(greengap)问题；2、有源区的势阱层为非极性面的InGaN量子点结构，由于量子点尺寸很小，量子点可以将大部分缺陷屏蔽在量子点之外，使得非辐射复合大大减小，从而提高高In组分InGaN的材料质量和器件效率；3、通过调节量子点的密度、尺寸及InGaN材料中In的组分，可以使得器件实现不同波长的输出，其在长波长发光二极管器件的制造中具有参考和借鉴价值；4、采用由至少一组柔性层和缓冲层退火形成的多孔或分立多单元结构的应力协变层，来调控非极性面的u型GaN层和n型GaN层的应力状态，通过u型GaN层和n型GaN层的应力诱导，使非极性面的InGaN量子点材料按照S-K模式自组装可控生长，从而制备得到绿光及更长波段的非极性面量子点发光二极管器件；5、该发光二极管采用非极性面材料和量子点有源区技术相结合，可显著消除极化效应并提高高In组分InGaN材料质量，提高非极性面量子点发光二极管的出光效率。附图说明图1是本专利技术一实施例提出的非极性面量子点发光二极管的结构示意图。图2-1～图2-5是本专利技术一实施例提出的非极性面量子点发光二极管的制备流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术作进一步的详细说明。下面的介绍仅用来阐明说明本专利技术，非据此以对本专利技术的实施方法做出任何形式的限制，故凡是以本专利技术所述形状，结构，特征及基本思想为基础，而对本专利技术做出任何形式的修饰或修改，都应归属本专利技术意图保护的知识产权范畴。为了实现GaN基LEDs器件在绿光区高效发光，必须解决高In组分材料难以高质量生长和极化效应强这两方面的问题。一方面，量子点可以提高高In组分InGaN的材料质量和器件效率。由于量子点尺寸很小，量子点可以十分完美的将大部分缺陷屏蔽在量子点之外，从而使非辐射复合大大减小。而且研究也证明了量子点的辐射效率比量子阱的高。另一方面，非极性或者半极性材料可以有效降低极化效应。非极性晶面(如(11-20)面、(10-10)面)和半极性晶面(如(11-22)面)的压电极化常数要比极性晶面((0002)面)小很多。并且发光波长随电流的改变远小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非极性面量子点发光二极管，包括衬底及依次叠置于所述衬底上的、均为非极性面的u型GaN层、n型GaN层、有源区、p型电子阻挡层及p型GaN层，其中：所述有源区包括周期分布的、非极性面的InGaN量子点势阱层和GaN势垒层。

【技术特征摘要】
1.一种非极性面量子点发光二极管，包括衬底及依次叠置于所述衬底上的、均为非极性面的u型GaN层、n型GaN层、有源区、p型电子阻挡层及p型GaN层，其中：所述有源区包括周期分布的、非极性面的InGaN量子点势阱层和GaN势垒层。2.如权利要求1所述的非极性面量子点发光二极管，其中，所述InGaN量子点势阱层和GaN势垒层的周期为3～15个；所述InGaN量子点势阱层中，量子点的密度、尺寸及InGaN材料中In的组分与所述非极性面量子点发光二极管的发光波长相匹配。3.如权利要求2所述的非极性面量子点发光二极管，其中，所述InGaN量子点势阱层采用S-K模式生长，量子点的密度为5×108～1×1012cm-2、直径为10～100nm、高度为2～12nm；InGaN材料中In的组分为0.3～0.6。4.如权利要求1所述的非极性面量子点发光二极管，其中，在所述衬底与u型GaN层之间还具有一应力协变层；所述应力协变层是由至少一组柔性层和缓冲层退火形成的多孔或分立多单元结构。5.如权利要求4所述的非极性面量子点发光二极管，其中，所述柔性层的材料、厚度、缓冲层的材料、厚度及退火条件均与所述u型GaN层和n型GaN层的应力相匹配。6.如权利要求4所述的非极性面量子点发光二极管，其中，所述柔性层的主体材料包括InGaN、InN、ZnO、AlN或碳纳米棒；所述缓冲层的主体材料包括GaN、InN、ZnO、AlN...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵桂娟，汪连山，李辉杰，孟钰淋，吉泽生，李方政，魏鸿源，杨少延，王占国，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11