一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构制造技术

本发明专利技术涉及三族氮化物半导体光电子材料领域，提出了一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，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，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方第一应变减少层，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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。本发明专利技术为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其发光波长范围提供了一种新型的有源区结构。

【技术实现步骤摘要】
一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构
本专利技术涉及三族氮化物低维结构领域，特别涉及一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构。
技术介绍
以GaN为基础的三族氮化物材料(包括AlN、AlGaN、InN、InGaN、AlGaInN)是继第一代硅锗、第二代砷化镓、磷化铟之后的第三代半导体材料。第一代半导体Si与Ge是现代微电子与集成电路的产业基础；第二代GaAs与InP则是红光、红外、中红外及太赫兹光电子器件(包括激光器、LED、探测器等)的基础材料。三族氮化物(III-N)则覆盖了可见光的紫、蓝、绿、黄光及紫外波段。其中，蓝光与绿光作为三原色，备受研究人员及产业界关注。GaN基光电子器件的专利技术始于GaN材料的成功制备与GaN材料空穴传输问题的解决。之后，中村修二将InGaN/GaN量子阱引入LED，制备出第一支高亮度的蓝光LED；很快，中村修二又以InGaN/GaN量子阱为有源区，制备出了第一支半导体蓝光激光器。可以说，InGaN/GaN量子阱有源区是GaN基LED及激光器的核心部分。有源区的性能对器件性能具有决定性的影响。但是，InGaN/GaN量子阱结构本身的物理性质却限制了器件性能的进一步提升。首先，InGaN/GaN量子阱中存在很强的压电极化场，使得量子阱能带倾斜，导致电子与空穴波函数空间分离，降低了电子与空穴的辐射复合效率；第二，由于InGaN与GaN之间的晶格失配，随着In组分的提高，量子阱中压应变迅速增加，导致大量失配位错的产生；第三，InGaN量子阱层的内应力会穿透垒层向上传递，随着InGaN/GaN量子阱周期数的增加，InGaN量子阱的内应力也随之升高，导致了极化效应及位错密度的进一步增加。为了彻底解决以上问题，研究人员将注意力转向其它低维纳米结构。其中，零维量子点结构被认为是最有可能解决以上问题的纳米结构之一。其优势主要体现在以下几个方面：首先，InGaN量子点的形成过程为三维生长模式，比二维层状生长的量子阱多一个维度来释放应力，故相同发光波长的InGaN量子点的内应变远低于InGaN量子阱，显著降低了极化效应，其次，由于应变的降低，所产生的失配位错密度也随之降低；第三，量子点具有比量子阱更强的局域态效应，能够有效束缚载流子，避免其被非辐射复合中心所俘获。此外，量子点具有比量子阱更低的有效态密度，作为激光器的有源区，能够使激光器的阈值电流显著降低。InGaN量子点虽然具有先天的结构优势，但也存在更复杂的应变环境，使量子点生长可控性变差。而态密度低虽然可以降低激光器的阈值电流，却也会导致激光器增益不足，以及LED载流子泄漏的问题。因此，有必要提出一种新型的多层InGaN量子点结构，以解决现有技术中InGaN量子点复杂的应变环境及态密度低的问题。
技术实现思路
本专利技术针对InGaN量子点复杂的应变环境及态密度低的缺点，所要解决的技术问题为：提供一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其波长范围提供了一种新型的有源区结构。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，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，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方的第一应变减少层，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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。所述中间垒层还包括紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层。所述InGaN量子点层为S-K模式生长的InGaN量子点。所述InGaN量子点层为V-W模式生长的InGaN量子点。所述应变补偿层的材料为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，或者任意几种的组合。所述顶垒层和底垒层为GaN垒层。所述顶垒层和底垒层包括GaN垒层和设置在GaN垒层中间的应变补偿层。所述一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其发光波长为蓝绿光到红光波段范围内的任一波长。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：(1)量子点比量子阱具有更强的载流子局域效应，增强了对载流子的束缚能力；(2)降低了InGaN量子点的内应变，削弱了量子限制斯塔克效应的影响：应变减少层的晶格常数介于InGaN量子点层与垒层之间，缓冲了两者之间巨大的压应变，有效地降低了InGaN量子点的内应变，更低的内应变意味着更小的压电极化场，因而能带倾斜程度降低，电子与空穴波函数空间交叠增加，辐射复合效率提高；(3)降低了InGaN量子点与垒层界面处的位错密度：应变减少层缓冲了InGaN量子点与GaN垒层之间的晶格失配，从而使界面处的失配位错密度降低；(4)消除了多层结构的应变积累,降低了多层InGaN量子点结构的整体应变量：与InGaN量子点的压应变相反，应变补偿层处于张应变状态，阻挡了压应力透过垒层向上传递，消除了各量子点层之间的应变耦合，提高了InGaN量子点的层间一致性。附图说明图1为本专利技术实施例提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构示意图；图2为本专利技术另一实施例提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构示意图；图3为V-W生长模式的示意图；图4为S-K生长模式的示意图；图5为本专利技术提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构应用在绿光激光器外延结构上时的示意图；图6为本专利技术提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构应用在GaN基绿光LED外延结构上时的示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术针对InGaN量子点复杂的应变环境及态密度低的问题，在多层InGaN量子点中引入了应变调制结构(包括应变减少结构及应变补偿结构)，提供了一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，为提升GaN基LED及激光器性能、并拓宽其波长范围提供了一种新型的有源区结构。如图1所示，为本专利技术实施例提出的含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构示意图，如图1所示，该多层InGaN量子点为一种多周期性结构，图中n表示多层InGaN量子点结构的周期数，每个周期由下而上包括InGaN量子点层和第一应变减少层，每个周期性结构之间设置有中间垒层，整个结构的底部和顶部分别设置有底垒层和顶垒层；也就是说，该多层InGaN量子点包括底垒层、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，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方的第一应变减少层。其中，本实施例中，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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，具体地，应变补偿层的材料可以为AlN、AlGaN及AlGaInN三种材料中的任意一种，或者任意几种的组合。具体地，所述顶垒层和底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，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，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方的第一应变减少层，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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。

【技术特征摘要】
1.一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，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，其特征在于，还包括紧邻所述InGaN量子点层并设置在其上方的第一应变减少层，所述第一应变减少层为In组分低于10%的InGaN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。2.根据权利要求1所述的一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其特征在于，所述中间垒层还包括紧邻所述应变补偿层并分别位于其上方和下方的GaN上垒层和GaN下垒层。3.根据权利要求1所述的一种含有应变调制结构的多层InGaN量子点结构，其特征在于，所述InGaN量子点层为S-K模式生长的InGaN量子点。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾志刚，卢太平，董海亮，梁建，马淑芳，许并社，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14