一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，特別是一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)今，發(fā)光二極管(LED)在一般照明方面提供其應(yīng)用。但是由于內(nèi)量子效率(IQE)低，導(dǎo)致LED的流明效率較低，尚不能在照明方面獲得適當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~。為了推動(dòng)白光LED的市場化進(jìn)程，大幅提升LED的流明效率是迫在眉睫的工作。已經(jīng)嘗試了各種途徑來提高IQE,但是要實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)還有很長的路。
[0003]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在LED的流明效率還是較低的問題。因此有必要提出一種新的一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)及其制作方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提供一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)及其制作方法，采用量子點(diǎn)作為發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)(MQW)的量子阱層，利用量子點(diǎn)的量子限制效應(yīng)，可有效提升電子和空穴的復(fù)合效率；同時(shí)，在量子皇層與量子阱層之間設(shè)置納米級(jí)金屬反射層，可使MQW向下發(fā)出的光立即被反射至外延結(jié)構(gòu)正面；此外，納米級(jí)金屬反射層可形成表面等離子體(suface plasmon)，進(jìn)一步提升出光效率。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，包括:在襯底上依次設(shè)置有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層，其特征在于:所述發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)從下至上依次包括:具有納米級(jí)凹坑的第一量子皇層、形成于凹坑表面的納米級(jí)金屬反射層、形成于金屬反射層表面的量子點(diǎn)作為量子阱層，以及覆蓋于所述第一量子皇層、金屬反射層和量子點(diǎn)之上的第二量子皇層。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，包括:在襯底上依次設(shè)置有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層，其特征在于:所述發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)從下至上依次包括:具有納米級(jí)凹坑的第一量子皇層、填充于凹坑的量子點(diǎn)作為量子阱層、形成于量子點(diǎn)表面的納米級(jí)金屬反射層，以及覆蓋于所述第一量子皇層、金屬反射層和量子點(diǎn)之上的第二量子皇層。
[0007]進(jìn)一步地，所述納米級(jí)金屬反射層為層狀或散點(diǎn)狀。
[0008]進(jìn)一步地，所述金屬反射層材料為Ag或Al或其組合。
[0009]進(jìn)一步地，所述納米級(jí)凹坑呈周期性均勻分布。
[0010]進(jìn)一步地，所述第一、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體為A1N、GaN, AlxGa1^xN, AlxIn1^xN,InyGahyN 或(AlxGa1J ^InyN 等單層或多層結(jié)構(gòu)，其中 0〈x〈l，0〈y〈l。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟:提供一襯底；在所述襯底上依次外延生長第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層，其特征在于:所述發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)通過以下步驟形成: 在所述第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層上外延生長第一量子皇層；
在所述第一量子皇層上腐蝕形成納米級(jí)凹坑；
在所述納米級(jí)凹坑表面填充納米級(jí)金屬反射層；
在所述納米級(jí)金屬反射層表面上外延生長量子點(diǎn)，作為量子阱層；
以及外延生長第二量子皇層，覆蓋于所述第一量子皇層、金屬反射層和量子點(diǎn)之上。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，一種發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)的制備方法，包括步驟:提供一襯底；在所述襯底上依次外延生長第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層，其特征在于:所述發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)通過以下步驟形成:
在所述第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層上外延生長第一量子皇層；
在所述第一量子皇層上腐蝕形成納米級(jí)凹坑；
在所述凹坑填充量子點(diǎn)，作為量子阱層；
在所述量子點(diǎn)表面形成納米級(jí)金屬反射層；
以及外延生長第二量子皇層，覆蓋于所述第一量子皇層、金屬反射層和量子點(diǎn)之上。
[0013]進(jìn)一步地，所述第一量子皇層的形成方式為:通入TEGa、NH#P N 2混合氣體源進(jìn)行外延生長獲得，生長溫度為750~900°C，優(yōu)選850°C，壓力為50~500Torr，優(yōu)選200Torr，厚度為 l~50nm，優(yōu)選 10nm。
[0014]進(jìn)一步地，所述第一量子皇層的納米級(jí)凹坑的形成方式為:升溫至1000~1200°C，關(guān)閉TEGa、NH#P N 2氣體源，通入H 2，使得所述第一量子皇層的表面分解并腐蝕形成納米級(jí)凹坑。
[0015]進(jìn)一步地，所述納米級(jí)金屬反射層的形成方式為:生長溫度控制在700~900°C，優(yōu)選850°C，關(guān)閉H2、N#P NH3，通入TMAl源，并通過退火處理使所述金屬反射層完全覆蓋所述納米級(jí)凹坑，所述金屬反射層的厚度為l~10nm，優(yōu)選2nm。
[0016]進(jìn)一步地，所述量子點(diǎn)的形成方式為:生長溫度控制在750°C以下，關(guān)閉TMAl源，通入N2、NH#P TEGa、TMIn源，在所述納米級(jí)金屬反射層表面上外延生長獲得。
[0017]進(jìn)一步地，所述第二量子皇層的形成方式為:先通入TEGa源，NHjPN2，控制生長方向沿三維生長，生長方法溫度范圍為750~900 0C，優(yōu)選750 °C，壓力為200~500Torr，優(yōu)選300Torr，生長時(shí)間為1~5分鐘，優(yōu)選I分鐘；再將壓力控制住50~300Torr，優(yōu)選200Torr，生長方法溫度范圍為800~950°C，優(yōu)選850°C，控制生長方向沿二維生長，依靠側(cè)向外延覆蓋于所述第一量子皇層、金屬反射層和量子點(diǎn)之上，將所述量子點(diǎn)完全填平。
[0018]進(jìn)一步地，所述第一、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體為A1N、GaN, AlxGa1^xN, AlxIn1^xN,InyGahyN 或(AlxGa1J ^InyN 等單層或多層結(jié)構(gòu)，其中 0〈x〈l，0〈y〈l。
[0019]另外，前述外延生長方式包括但不限于MOCVD方法、MBE方法和HVPE方法等外延生長方式。
【附圖說明】
[0020]圖1為實(shí)施例1的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為圖1所示發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)的放大圖。
[0022]圖3為圖2所示發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的各氣體源流量示意圖。
[0023]圖4為實(shí)施例2的外延結(jié)構(gòu)發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)的放大圖。
[0024]圖5為實(shí)施例3的外延結(jié)構(gòu)發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)的放大圖。
[0025]圖示說明:101:襯底；102:緩沖層；103:N-GaN層；104a:具有納米級(jí)凹坑的第一GaN量子皇層；104b:金屬反射層；104c JnGaN量子點(diǎn)(量子阱層)；104d:第二 GaN量子皇層；105 !P-AlGaN電子阻擋層；106:P-GaN層；107 !P-1nGaN高摻雜的P型接觸層。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1
本實(shí)施例提出的發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)示意圖見附圖1。由圖1可知，發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)，包括:最底層為襯底101，襯底材料選用藍(lán)寶石；位于襯底101之上的AlN緩沖層102 ;在AlN緩沖層102上依次設(shè)置有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層，其中第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層為N型半導(dǎo)體層，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層為P型半導(dǎo)體層，N型半導(dǎo)體層的材料可以采用N型Α1Ν、6&Ν、Α1χ6&1_χΝ、Α1χΙηι_χΝ、InyGa1^yN或(AlxGa1J ^yInyN等單層或多層結(jié)構(gòu)，其中0〈x〈l，0〈y〈l，本實(shí)施例優(yōu)選第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層為N-GaN單層結(jié)構(gòu)，P型半導(dǎo)體層的材料可以采用P型A1N、GaN, AlxGa1^xN, AlxIn1^xN,InyGa1J或(AlxGa1J ^yInyN等單層或多層結(jié)構(gòu)，其中0〈x〈I，0〈y〈I，本實(shí)施例優(yōu)選第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層為P-AlGaN電子阻擋層、P-GaN層和P-1nGaN高摻雜的P型接觸層多層結(jié)構(gòu)。
[0027]由圖2可知，本實(shí)施例的發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)從下至上依次包括:具有納米級(jí)凹坑的第一量子皇層104a、形成于凹坑表面的納米級(jí)層狀金屬反射層104b、形成于金屬反射層104b表面的量子點(diǎn)104c作為量子阱層，以及覆蓋于所述第一量子皇層104a、金屬反射層104b和量子點(diǎn)104c之上的第二量子皇層104d。在本實(shí)施例優(yōu)選量子皇層為GaN材料，量子阱層為InGaN材料；所述金屬反射層材料為Ag或Al或其組合，在本實(shí)施例優(yōu)選為Ag ；所述納米級(jí)凹坑為隨機(jī)分布或者規(guī)則分布，在本實(shí)施例優(yōu)選為納米級(jí)凹坑呈周期性均勻分布。
[0028]下面采用MOCVD外延生長方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0029]如圖1和2所不，提供一圖形化襯底101，材料選用藍(lán)寶石；
將襯底101置于MOCVD設(shè)備(圖中未示出)，在所述襯底101上生長AlN緩沖層102 ；在所述緩沖層102上依次外延生長第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層、發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層，其中所述發(fā)光層多量子阱結(jié)構(gòu)通過以下步驟形成:
(1)在所述第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層上外延生長第一量子皇層；
(2)在所述第一量子皇層上腐蝕形成納米級(jí)凹坑；<