一種用於光電器件的多量子阱結構的製作方法
2023-05-29 22:35:26
一種用於光電器件的多量子阱結構的製作方法
【專利摘要】本發明提出一種新的用於光電器件的多量子阱結構，其特點不在於對量子阱內的細節優化，而是著重對量子阱的阱層厚度和壘層做了整體的匹配和優化設計，可以做到對整體效率的大幅度提升。該多量子阱結構，包括若干周期的壘層結構和阱層結構，壘層結構整體上為前厚後薄，阱層結構整體上為前薄後厚。與現有技術相比，本發明並沒有增加新的結構層，因此未增加源物料成本，只是通過簡單的量子阱的阱層和壘層的厚度設計和匹配即達到了亮度提升的效果。
【專利說明】一種用於光電器件的多量子阱結構
【技術領域】
[0001]本發明屬於光電器件設計領域，涉及一種用於光電器件的多量子阱結構設計方法。
【背景技術】
[0002]在目前的光電器件設計中，多量子阱結構的引入使光電器件的內量子效率得到了大幅度的提升而被廣泛的應用。多量子阱結構的設計主要是提高複合效率，理論上量子阱越多複合效率也越高，但是由於受限於隨著量子阱數量增加量子阱的生長質量會逐漸變差，量子阱數量也必須嚴格控制。對於量子阱結構的量子阱層厚度設計，量子阱層越薄則對電子空穴的俘獲能力下降導致複合效率降低，量子阱越厚對電子空穴的俘獲能力增強但是由於極化效應波函數疊加減少而導致複合效率降低。對於量子阱結構的量子壘層厚度設計，壘層的結構越薄則電子空穴隧穿效應增加進而降低了量子阱層對電子空穴的俘獲能力，壘層的結構越厚對電子空穴的限制作用增強但會降低電子空穴的遷移率進而導致複合效率降低。
[0003]為此在光電領域各家公司和科研機構都投入了大量的精力不斷進行研究改進，譬如專利文獻CN101714602A 「用於光電器件的多量子阱結構」中提出，靠近N型半導體層的勢壘層厚度大於靠近P型半導體層的勢壘層厚度；所述的η為大於2小於20的整數，可以提升內量子效率，由於靠近N層的勢壘層較寬，這樣就可以迫使空穴向N層附近移動，增加了發光量子阱的數量進而提高量子阱的發光效率提升了亮度。可以提高反向電壓，提升抗靜電性能。該結構設計已經取得了一定的效果，但是該方案只對壘層作了設計而沒有同時考慮阱層的設計，因此以上所述的量子阱厚度所對應的問題依然沒有得到有效的解決，對於效率的提升空間有限。
[0004]專利文獻CN102544278A「一種多量子阱結構及其製造方法」中提出，所述第一勢壘層的厚度是第二勢壘層的1.5-2.5倍，通過改進量子阱的結構設計，調配多量子阱內部結構，從而可以明顯的增加光電器件的靈敏度，可以有效地調控工作電壓和能量的利用效率。該方案仍然只是針對量子阱內壘層的設計而對於阱層的設計沒有提及。
[0005]專利文獻CN102368519A 「一種提高半導體二極體多量子阱發光效率的方法」中提至IJ，多量子阱結構中前幾個周期InGaN組份是逐漸增加的，這樣可以緩解由GaN突然轉到高銦組份InGaN生長過程中產生的應力，從而減小極化效應，提高量子阱的晶體質量，增加複合機率，並且前幾個周期中勢壘層的厚度是逐漸減小的，厚度較大的壘層可以降低電子的速度，減小電子的穿越機率，厚度較小的可以提高空穴的穿越機率，使得電子和空穴的分布比較均勻，防止在大電流注入下效率下降的問題，從而提高多量子阱發光效率。該結構設計已經考慮到量子阱和量子壘層的整體設計，不過只是針對量子阱結構的前面幾個周期的設計，固然對於整體的性能提升已經起到作用，但是由於沒有認識到實際量子阱結構的發光複合區域集中於後面的量子阱區域，因此效果並不十分明顯。
[0006]專利文獻CN102903808A 「一種提高GaN基LED發光效率的淺量子阱生長方法」的設計理念與CN101714602A類似，是在量子阱的前幾個周期即其所謂淺量子阱的部分採用壘層逐漸減薄的技術，淺量子阱的阱層含銦量以逐漸減少的變化方式進行生長。該設計也具有一定的效果但只是針對前幾個周期的設計，但是由於實際量子阱結構的發光複合區域集中於後面的量子阱區域因此整體效果並不十分明顯。
[0007]綜合以上，對於壘層設計大家都逐漸有了比較清晰的認識，但是對於量子阱層的設計還只是停留在前幾個周期的設計，而對於量子阱和量子壘結構的整體考慮並進行整體設計的案例並不多見，很多的量子阱本身的設計也停留在量子阱內部的組分控制，流量控制或者增加覆蓋結構等，如專利文獻CN102832306A、CN102427103A等；這些設計對於量子阱局部的優化確實起到了一定的效果但是並未在整體的匹配上實現最優化的效果，反映在產業上意義重大，仍有待進一步的性能提升。
【發明內容】
[0008]本發明提出一種新的用於光電器件的多量子阱結構，其特點不在於對量子阱內的細節優化，而是著重對量子阱的阱層厚度和壘層做了整體的匹配和優化設計，可以做到對整體效率的大幅度提升。
[0009]經過 申請人:長期大量的研究發現，量子阱結構的阱層和壘層的厚度的設計及其匹配設計對光電器件效率的提升效果最為明顯。為了迫使空穴能夠儘可能的向N層方向移動，因此靠近P層的壘層厚度要相對較薄使空穴儘可能向N層方向遷移。為了使空穴和電子最大可能的發生複合，因此靠近P層的量子阱厚度要相對偏厚。
[0010]本發明方案如下:
[0011]用於光電器件的多量子阱結構，包括若干周期的壘層結構和阱層結構，其特殊之處在於:壘層結構整體上為前厚後薄，阱層結構整體上為前薄後厚。
[0012]上述魚層結構的各層厚度的較佳範圍為200nm-5nm(即最厚不超過200nm,最薄不低於5nm);阱層結構的各層厚度的較佳範圍為0.lnm-5nm(即最薄不低於0.lnm，最厚不超過 5nm)ο
[0013]設總量子阱數量為M，1〈N〈M〈50 ;則可以採用以下優選的幾種具體方式:
[0014]壘層採用以下三種結構中的任意一種:
[0015]I)前N個壘層的厚度相同，後M-N個壘層的厚度按照前厚後薄依次排布；
[0016]2)後N個壘層的厚度相同，前M-N個壘層的厚度按照前厚後薄依次排布；
[0017]3)最前X個壘層的厚度按照前厚後薄依次排布，最後Y個壘層的厚度按照前厚後薄依次排布，中間N個壘層的厚度相同，1〈X〈M，1〈Y〈M ；
[0018]阱層採用以下三種結構中的任意一種:
[0019]I)前N個阱層的厚度相同，後M-N個阱層的厚度按照前薄後厚依次排布；
[0020]2)後N個阱層的厚度相同，前M-N個阱層的厚度按照前薄後厚依次排布；
[0021]3)最前X個阱層的厚度按照前薄後厚依次排布，最後Y個阱層的厚度按照前薄後厚依次排布，中間N個阱層的厚度相同，1〈X〈M，1〈Y〈M。
[0022]以上壘層的三種結構與阱層的三種結構可以任意匹配組合構成多量子阱結構。
[0023]本發明具有以下有益效果:
[0024]與現有技術相比，本發明並沒有增加新的結構層，因此未增加源物料成本，只是通過簡單的量子阱的阱層和壘層的厚度設計和匹配即達到了亮度提升的效果，與傳統的量子阱結構設計相比，亮度可以提升25 %以上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明實施例1的結構示意圖。
[0026]圖2為本發明實施例2的結構示意圖。
[0027]圖3為本發明實施例3的結構示意圖。
[0028]圖4為本發明實施例4的結構示意圖。
[0029]圖5為本發明實施例5的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]以下結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0031]量子阱的壘層結構整體上為前厚後薄的設計，厚度的範圍為200nm-5nm，表現為前面量子阱結構的壘層比後面的壘層厚；同時量子阱結構的阱層結構整體上為前薄後厚的設計，厚度範圍為0.lnm-5nm，表現為前面量子阱結構的阱層比後面的阱層薄。例如:
[0032]對於壘層:
[0033]如果總量子阱數量為M，其中前N個壘層的厚度可以是相同的，而後面M-N個的厚度為前厚後薄的設計，N〈M〈50，優化的設計為N = 7，M = 15 ;
[0034]如果總量子阱數量為M，其中後N個壘層的厚度可以是相同的，而前面M-N個的厚度為前厚後薄的設計，N〈M〈50，優化的設計為N = 5，M = 13 ;
[0035]如果總量子阱數量為M，其中中間N個壘層的厚度可以是相同的，而最前X個的厚度為前厚後薄的設計，而最後Y個的厚度為前厚後薄的設計，X〈N〈M〈50，Y〈N〈M〈50，優化的設計為 N = 8, X = 4, Y = 3, M = 15 ；
[0036]對於講層:
[0037]如果總量子阱數量為M，其中前N個阱層的厚度可以是相同的，而後面M-N個的厚度為前薄後厚的設計，N〈M〈50，優化的設計為N = 8，M = 15 ;
[0038]如果總量子阱數量為M，其中後N個阱層的厚度可以是相同的，而前面M-N個的厚度為前薄後厚的設計，N〈M〈50，優化的設計為N = 5，M = 13 ;
[0039]如果總量子阱數量為M，其中中間N個阱層的厚度可以是相同的，而最前X個的厚度為前薄後厚的設計，而最後Y個的厚度為前薄後厚的設計，X〈N〈M〈50，Y〈N〈M〈50，優化的設計為 N = 6, X = 4, Y = 5, M = 15 ；
[0040]通過以上的量子阱的壘層和阱層的厚度設計進行組合後進行試驗驗證，優化的設計為:總量子阱個數為15個；其中，前7個壘層的厚度為13.5nm,後8個壘層的厚度依次遞減 Inm,分別為 13.5nm, 12.5nm, 11.5nm, 10.5nm, 9.5nm, 8.5nm, 7.5nm 和 6.5nm ;前 8 個講層的厚度為I.5nm,後7個講層的厚度依次加厚0.15nm，依次為1.5nm, 1.65nm, 1.8nm, 1.95nm,
2.lnm, 2.25nm, 2.4nm。
[0041]此設計與傳統的量子阱設計的阱層為2.5nm，壘層為13.5nm的15個量子阱設計相t匕，亮度提高至少25%以上。
[0042]以上方案通過整體上量子阱的阱層和壘層的厚度設計和匹配即達到了亮度提升的效果，與傳統的量子阱結構設計相比，亮度可以提升25%以上。綜上，只要在量子阱結構中體現了阱層結構前厚後薄同時壘層結構前薄後厚的設計，均屬於本專利申請的保護範圍。
【權利要求】
1.一種用於光電器件的多量子阱結構，包括若干周期的壘層結構和阱層結構，其特徵在於:壘層結構整體上為前厚後薄，阱層結構整體上為前薄後厚。
2.根據權利要求1所述的用於光電器件的多量子阱結構，其特徵在於:壘層結構的各層厚度的範圍為200nm-5nm ;阱層結構的各層厚度的範圍為0.lnm_5nm。
3.根據權利要求2所述的用於光電器件的多量子阱結構，其特徵在於，設總量子阱數量為 Μ, 1〈N〈M〈50 ； 壘層採用以下三種結構中的任意一種: 1)前N個壘層的厚度相同，後M-N個壘層的厚度按照前厚後薄依次排布； 2)後N個壘層的厚度相同，前M-N個壘層的厚度按照前厚後薄依次排布； 3)最前X個壘層的厚度按照前厚後薄依次排布，最後Y個壘層的厚度按照前厚後薄依次排布，中間N個壘層的厚度相同，1〈X〈M，1〈Y〈M ； 阱層採用以下三種結構中的任意一種: 1)前N個阱層的厚度相同，後M-N個阱層的厚度按照前薄後厚依次排布； 2)後N個阱層的厚度相同，前M-N個阱層的厚度按照前薄後厚依次排布； 3)最前X個阱層的厚度按照前薄後厚依次排布，最後Y個阱層的厚度按照前薄後厚依次排布，中間N個阱層的厚度相同，1〈X〈M，1〈Y〈M。
【文檔編號】H01L33/06GK103996768SQ201410239646
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】李淼 申請人:西安神光皓瑞光電科技有限公司