1.1.3 量子阱应变工程

与在Si衬底上生长GaN一样，InGaN量子阱（QW）在GaN上生长也存在晶格失配问题，其晶格有2%～3%的失配度。一方面，较大的晶格失配度将直接导致晶体质量下降，比如产生新的位错或产生In偏析；另一方面，它将在QW中引入巨大的压应力。X射线衍射测试显示InGaN QW（约为3 nwm）在a轴方向几乎完全应变。纤锌矿结构GaN的非对称性使得c轴方向存在自发极化和压电极化电场，能带结构变形并引起严重的能带弯曲。能带弯曲的时候，被注入QW中的载流子会被压电场迅速分离。载流子发生分离，其波函数的重叠变少，从而导致载流子的辐射复合效率降低，LED发光效率降低。辐射复合效率的降低将使载流子在QW中积累，因为载流子的耗尽速率低于注入速率，从而进一步出现载流子溢出和俄歇复合，降低了 LED 的发光效率。另外，应力的存在也会影响在外延生长过程中In的并入率。

总而言之，提高LED发光效率的关键是减少QW所受的应力，减少QW所受的应力有利于材料的生长和器件性能的提高。减少 QW 所受应力的方法之一是采用晶格常数与 QW 一致的材料作为势垒，通常是AlInN、AlInGaN 等。InGaN 和InAlN晶格匹配示意如图1-9所示，蓝光LED的QW中In组分为20%左右，如果采用Al0.8In0.2N作为势垒，则势垒的a轴晶格常数与QW的相同，而势垒高度高于GaN势垒高度。

图1-9 InGaN和InAlN晶格匹配示意

使用AlxGayInzN四元系合金作为量子垒也可以达到同样的效果，表1-1列出了与In0.2Ga0.8N量子阱匹配的、可以实现相同晶格常数的AlxGayInzN势垒的不同组成和相应的带隙能量（不考虑弯曲系数）。

表1-1 与In0.2Ga0.8N量子阱匹配的、可以实现相同晶格常数的AlxGayInzN势垒的不同组成和相应的带隙能量

考虑到载流子限制效果，量子垒的势垒高度要大于 GaN 的势垒高度，AlxGayInzN中Al组分要大于30%。从理论上讲，这是释放应力的好方法，但从材料生长的角度来说，这个方法实现比较困难，因为AlN和InN生长行为是相反的。在AlN的生长过程中，TmAl和NH3很容易发生预反应，且Al原子的表面迁移速率很低，为了抑制预反应、获得好的晶体质量，合适的生长条件是低压、小 V/III比和高温。而对于易分解的InN来说，合适的生长条件是高压、高V/III比和低温。两种材料的对抗性生长条件给高质量AlInN或AlGaInN的生长带来很大困难。因此，生长与QW晶格匹配的量子垒不是释放QW所受应力的切实可行的办法。

释放QW应变的常用方法是在N型GaN和QW之间引入In含量相对较低的单层或多层 InGaN 作为预应变层。生长预应变层的目的是借助 In 释放来自 N 型GaN的部分应变。

生长预应变层不仅需要关注应变弛豫的效果，而且还要关注材料的晶体质量。因此，应适当控制In的含量。In含量高会导致晶体质量下降，In含量太低则产生的应变弛豫不足。通常，当预应变层较厚时，一般采用InGaN/GaN超晶格（Super Lattice,SL）而不是单层InGaN作为预应变层。InGaN/GaN SL作为预应变层兼顾了应变弛豫和QW晶体质量。在Si衬底上生长有预应变层的LED结构中的应变演化示意如图1-10所示，在N型GaN和QW之间引入预应变层使晶格更加平缓地演化，有助于缓冲InGaN QW所受的压应力。

图1-10 在Si衬底上生长有预应变层的LED结构中的应变演化示意

Si和GaN之间巨大的晶格失配度和热失配度给材料生长带来了巨大挑战，同时也为生长高质量InGaN QW提供了机会。一旦裂纹和位错密度得到控制，由Si衬底引起的拉应变和晶格应变将成为In并入的积极因素，可以将QW的生长温度提高约20℃，从而提高QW的质量。