一种量子阱结构及其生长方法与流程

本发明涉及半导体，具体为一种量子阱结构及其生长方法。

背景技术：

1、半导体激光器是一种非常重要的激光电子器件，对比其它类型激光器具有体积小、功耗低、效率高和无污染等优势，在激光切割、激光焊接、激光显示、激光照明、激光通信和激光检测等领域有重要的应用。

2、有源区的量子阱层是半导体激光器最核心的结构，其结构设计会在很大程度上影响激光器的性能。为了生长出高质量的量子阱结构，需要对量子阱之前的结构做较多细致的设计优化。在激光器结构中，以蓝光激光器为例，常用ingan作为波导层，但由于高温下inn与gan的互溶性低，因此ingan层的生长都会降低温度来生长。由于温度降低，那么表面形貌将变得粗糙，并且会出现大量的v型坑，如图2所示，这不仅增加了光学散射，也使得后续生长的量子阱会变得更加的不平整(量子阱的in组分比波导层更高)。这种不平整将会引起量子阱的成分和厚度的涨落，极大地展宽了发光光谱，增加了激射阈值，降低了激光器的增益系数和寿命。因此要在生长高in组分的有源区量子阱之前，进行高温gan的生长(此处高温是相对于ingan生长温度而言的)，使得晶体质量恢复，恢复效果如图3所示。但是在ingan上方高温生长gan可能损伤ingan层，因为在高温下ingan层中会发生相分离甚至分解，因此晶体质量恢复层的温度不能升得太高。另一方面，haller等人发现，高于850℃生长的gan会产生很多氮空位，而且这些氮空位是可以扩散的。在晶体恢复层gan中的氮空位会在后续的材料生长过程中向上扩散到有源区量子阱里，与其中的in原子结合形成复合缺陷，这些复合缺陷将会作为非辐射复合中心(non-radiative recombination centers,nrc)，显著的降低量子阱的发光性能。如果设计一个含有in原子的预置层，就可以提前捕获氮空位。如果该预置层生长太薄，则将不能很好的捕获结晶恢复层所产生的氮空位，但如果生长太厚，又会出现表面形貌劣化，需要进行晶体质量的恢复，这将导致陷入死循环而无法解决实际问题。

3、美国专利us10305257b2公开了一种半导体激光器件，通过在有源区量子阱和下波导层之间设置插入层，该半导体层能够在减少结晶度劣化的同时减少压电场，并且能够提高电子注入效率和减少空穴的溢出。美国专利us20170155230a1公开了一种半导体激光元件及制造半导体激光元件的方法，其特征在于，通过在有源区量子阱和下波导层之间设置插入层，该插入层能够抑制电压的升高，同时减少波导层和量子阱之间的晶格失配，从而能够降低允许发射较长波长的激光的阈值电流。但是上述专利中的技术仍然存在较大缺陷，这些专利中的插入层虽然减少了结晶度的劣化，也减少了晶格失配导致的压电效应，但是没有考虑高温生长的插入层产生的氮空位扩散到量子阱里的问题，而氮空位如果扩散到相邻的有源区量子阱里，将会成为非辐射复合中心，降低有源区量子阱的发光效率。为了解决结晶度提升和产生较多氮空位的矛盾，需要新的技术方案，而本专利的技术就是一种解决该问题的可行方案。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种量子阱结构及其生长方法，可以在提高结晶质量的同时降低有源区的氮空位，有效地减少有源区的非辐射复合中心，进而提高有源区内量子阱的内量子效率，提高发光效率。

3、(二)技术方案

4、为实现上述可以在提高结晶质量的同时降低有源区的氮空位，有效的减少有源区的非辐射复合中心，进而提高有源区内量子阱的内量子效率，提高发光效率的目的，本发明提供如下技术方案：

5、一种量子阱结构，自下而上依次包括下波导层、结晶恢复层、多量子阱发光层(有源区)；

6、所述结晶恢复层包括第一结晶恢复层、第一氮空位捕获层、第二结晶恢复层、第二氮空位捕获层和第三结晶恢复层；

7、第一结晶恢复层的生长温度大于第二结晶恢复层的生长温度，第二结晶恢复层的生长温度大于第三结晶恢复层的生长温度。

8、进一步，在下波导层的下方，自下而上依次包括应力调控层、下光限制层；在多量子阱发光层的上方，自下而上依次包括上波导层、电子阻挡层、上光限制层和p型接触层。

9、进一步，所述第一结晶恢复层、第二结晶恢复层、第三结晶恢复层由ingan和/或gan和/或algan组成，所述第一氮空位捕获层、第二氮空位捕获层由ingan或者ingan/gan超晶格组成。

10、进一步，所述第一结晶恢复层、第二结晶恢复层和第三结晶恢复层的生长温度在750-950℃之间，第一结晶恢复层的生长温度为870-950℃，第二结晶恢复层的生长温度为830-870℃，第三结晶恢复层的生长温度为750-830℃，第一氮空位捕获层和第二氮空位捕获层的生长温度是在800℃以下。

11、进一步，所述第一结晶恢复层、第二结晶恢复层和第三结晶恢复层的厚度为1-5nm，第一氮空位捕获层和第二氮空位捕获层的厚度为3-10nm。

12、进一步，所述第一氮空位捕获层和第二氮空位捕获层为ingan时，ingan的in组分在2-8％(此处为摩尔组分，下文亦同)，如果是ingan/gan超晶格，则平均in组分为2-8％，周期为2-5nm。

13、进一步，所述第一结晶恢复层、第二结晶恢复层和第三结晶恢复层可以用gan或者algan或者in组分低于2％的ingan。

14、进一步，所述多量子阱发光层包括第一量子阱、第一量子垒、第二量子阱和第二量子垒。

15、进一步，所述第一量子阱和第二量子阱的厚度为1.5nm-6nm，第一量子垒和第二量子垒的厚度为1.5nm-20nm。

16、本发明要解决的另一技术问题是提供一种量子阱结构的生长方法，包括以下步骤：

17、1)衬底清洁后，依次生长n型ingan应力调控层、n型algan光限制层和n型ingan下波导层；

18、2)在n掺杂ingan下波导层上生长结晶恢复层，其中第一结晶恢复层、第二结晶恢复层和第三结晶恢复层生长1-5nm的gan，第一氮空位捕获层和第二氮空位捕获层生长3-10nm的ingan，ingan中in的摩尔组分为2-8％，温度上，第一结晶恢复层-第三结晶恢复层在750-950℃下生长；

19、3)在生长结晶恢复层后，生长多量子阱发光层，其中第一量子阱和第二量子阱生长1.5-6nm的ingan，第一量子垒和第二量子垒生长1.5-20nm的gan；

20、4)在生长多量子阱发光层后，依次生长ingan上波导层、p型algan电子阻挡层、p型algan光限制层和p型ingan接触层；

21、5)生长结束后，降温至600-800℃，纯氮气氛围中退火处理1～10min，继续降到室温。

22、进一步，所述生长结晶恢复层中的各层均掺杂si生长，压力为100-600torr，ⅴ/ⅲ比为300-6000。

23、进一步，所述第一量子垒和第二量子垒可以使用gan或algan或低in组分的ingan或inalgan(in或inal的组分小于2％)，也可以做成渐变组分，生长的温度为700-820℃，压力为100-500torr，ⅴ/ⅲ比为300-6000。

24、(三)有益效果

25、与现有技术相比，本发明提供了一种量子阱结构及其生长方法，具备以下有益效果：

26、该量子阱结构及其生长方法，通过在结晶恢复层中设置高温生长的第一结晶恢复层，该层由于生长温度较高(870-950℃)，因此晶体质量也会提高，从而改善由于低温生长ingan波导层而劣化的表面形貌，为后续有源区量子阱的生长提供较好的条件。设置第一氮空位捕获层的作用是捕获第一结晶恢复层高温生长产生的氮空位。为了避免表面形貌再次劣化，第一氮空位捕获层的厚度不宜太厚，优选范围是3-10nm。但是这个厚度的氮空位捕获层还不足以捕获第一结晶恢复层所产生的氮空位，因此需要设置第二氮空位捕获层继续捕获扩散来的氮空位。分隔两个氮空位捕获层的是设置的第二结晶恢复层，由于第一氮空位捕获层非常薄，表面形貌劣化的程度较低，因此第二结晶恢复层需要的生长温度可以比第一结晶恢复层的低(830-870℃)，从而可以产生较少的氮空位。经过第二氮空位捕获层后，前面产生的氮空位基本被捕获完，而且还保持了较好的晶体质量和表面形貌，因此设置的第三结晶恢复层能进一步降低生长温度到750-830℃范围，几乎可以不再产生氮空位，同时还进一步的恢复了晶体质量和表面形貌，非常适合后续量子阱的生长。之所以第二结晶恢复层的生长温度可以小于第一结晶恢复层的生长温度，第三结晶恢复层的生长温度可以小于第二结晶恢复层的生长温度，是因为他们面临的前一层的晶体形貌粗糙程度不同。第一结晶恢复层的前面是ingan波导层，其生长厚度大(一般大于200nm)，表面劣化较为严重，粗糙程度较大，因此第一结晶恢复层需要较高的生长温度才能使得表面形貌得以改善，晶体质量得以恢复。经过第一结晶恢复层的恢复之后，紧接的第一氮空位捕获层厚度又较薄，因此表面形貌劣化有限，第二结晶恢复层温度可以降低。以此类推，直到第三结晶恢复层的生长温度可以降低到不再大量产生氮空位，并且晶体质量和表面形貌依然可以恢复得较好，才最终解决了生长量子阱之前提高结晶质量和表面形貌与产生氮空位扩散之间的矛盾，从而减少量子阱中的非辐射复合中心，进而提高有源层内量子阱的发光效率。换言之，从晶体质量和表面形貌的角度来看，如果波导层直接接一个生长温度较低的结晶恢复层，将无法很好的恢复晶体质量和表面形貌，而从氮空位扩散的角度来看，在生长有源区的量子阱之前又要求紧挨的结晶恢复层生长温度较低。本发明是通过设计多层复合结构，来实现结晶恢复层从高温生长到低温生长的过渡，解决了上述矛盾，因而获得了较大的有益效果。

技术特征：

1.一种量子阱结构，其特征在于：自下而上依次包括下波导层(4)、结晶恢复层(5)、多量子阱发光层(6)；

2.根据权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于：在下波导层(4)的下方，自下而上依次包括衬底(1)、应力调控层(2)、下光限制层(3)；在多量子阱发光层(6)的上方，自下而上依次包括上波导层(7)、电子阻挡层(8)、上光限制层(9)和p型接触层(10)。

3.根据权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于：所述第一结晶恢复层(51)、第二结晶恢复层(53)和第三结晶恢复层(55)的生长温度在750-950℃之间，第一结晶恢复层(51)的生长温度为870-950℃，第二结晶恢复层(53)的生长温度为830-870℃，第三结晶恢复层(55)的生长温度为750-830℃，第一氮空位捕获层(52)和第二氮空位捕获层(54)是在800℃以下。

4.根据权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于：所述第一结晶恢复层(51)、第二结晶恢复层(53)和第三结晶恢复层(55)厚度为1-5nm，第一氮空位捕获层(52)和第二氮空位捕获层(54)厚度为3-10nm。

5.根据权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于：所述第一氮空位捕获层(52)和第二氮空位捕获层(54)为ingan或者ingan/gan超晶格，ingan的in组分在2-8％，ingan/gan超晶格的平均in组分为2-8％，超晶格的周期为2-5nm。

6.根据权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于：所述第一结晶恢复层(51)，第二结晶恢复层(53)和第三结晶恢复层(55)为gan或者algan或者in组分低于2％的ingan。

7.根据权利要求1所述的量子阱结构，其特征在于：所述多量子阱发光层(6)包括第一量子阱(61)、第一量子垒(62)、第二量子阱(63)和第二量子垒(64)；所述第一量子阱(61)和第二量子阱(63)的厚度为1.5nm-6nm，第一量子垒(62)和第二量子垒(64)的厚度为1.5nm-20nm。

8.一种量子阱结构的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的生长方法，其特征在于：所述生长结晶恢复层(5)中的层均掺杂si生长，压力为100-600torr，ⅴ/ⅲ比为300-6000。

10.根据权利要求8所述的一种量子阱结构及其生长方法，其特征在于：所述第一量子垒(62)和第二量子垒(64)使用gan或algan或低in组分的ingan或inalgan，或者做成渐变组分，生长的温度为700-820℃，压力为100-500torr，ⅴ/ⅲ比为300-6000。

技术总结
本发明涉及半导体技术领域，公开了一种量子阱结构及其生长方法。本发明通过在结晶恢复层中设置第一结晶恢复层来恢复由于下波导生长带来的结晶质量差和界面平整度差的问题，设置第一氮空位捕获层来捕获第一结晶恢复层产生的大量氮空位，设置第二结晶恢复层来恢复第一氮空位捕获层生长后的晶体质量和界面，设置第二氮空位捕获层来捕获氮空位，进一步减少氮空位，设置第三结晶恢复层恢复第二氮空位捕获层生长后的晶体质量和界面。其中结晶恢复层的温度渐变降低，这样可以在提高结晶质量和界面平整度的同时降低氮空位数量，有效的减少氮空位向量子阱内扩散，进而减少非辐射复合中心，进而提高有源层内量子阱发光效率。

技术研发人员：宗华,付建波,蒋盛翔,孟令海,胡晓东,罗郑彪
受保护的技术使用者：北京飓芯科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23