[发明专利]一种非极性面量子点发光二极管及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

基于以上问题，本发明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，作为本发明的一个方面，本发明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。

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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。

在本发明的一些实施例中，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，作为本发明的另一个方面，本发明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。

在本发明的一些实施例中，n的取值范围为3≤n≤15。

在本发明的一些实施例中，上述有源区的形成环境为：温度600～750℃、压强100～760Torr。

在本发明的一些实施例中，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。