專利名稱：一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管的常規(guī)外延結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括依次設(shè)有的襯底層1、過(guò)渡層2、u型氮化鎵層3、η型氮化鎵層4、多量子阱層5 (包括量子壘51和量子阱52)和ρ型氮化鎵層6，此種結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)過(guò)程中由于襯底層I和外延層的晶格失配和熱失配導(dǎo)致二極管內(nèi)部存在大量的非輻射缺陷，位錯(cuò)密度達(dá)IO9CnT2 10nCm_2，而由此產(chǎn)生的自發(fā)極化和壓電效應(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)大的內(nèi)建電場(chǎng)，降低了發(fā)光效率，且隨著注入電流的增加以及器件使用溫度的升高，波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生漂移，發(fā)光效率將下降。由此可知，外延結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)是發(fā)光二極管芯片的關(guān)鍵技術(shù)，而量子阱層又是外延層的最重要部分，其決定整個(gè)外延層的發(fā)光波長(zhǎng)與發(fā)光效率，因此，降低量子阱層的缺陷密度是提高發(fā)光二極管亮度的主要措施之一；同時(shí)，因量子點(diǎn)能有效將電子和空穴復(fù)合，并發(fā)出相應(yīng)波長(zhǎng)的光，因此，在量子阱層形成量子點(diǎn)，也有助于提升發(fā)光二極管芯片的發(fā)光效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率及亮度。本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，`公開了一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)有的襯底層、過(guò)渡層、u型氮化鎵層、η型氮化鎵層、多量子阱層和ρ型氮化鎵層，所述多量子阱層由量子魚與量子講交替排列。進(jìn)一步，在所述多量子阱層中嵌入分隔層，所述多量子阱層中部分或全部的量子魚和量子講與分隔層接觸。進(jìn)一步，所述η型氮化鎵層延伸至多量子阱層中，所述多量子阱層中部分或全部的量子壘和量子阱與延伸至其中的η型氮化鎵層接觸。進(jìn)一步，所述多量子阱層包括i層交替接觸的量子阱與量子壘，其中I < i < 100。進(jìn)一步，所述量子講的組成為AlyInxGa1TyN (O < x ^ I,O ^ y < I, O ^ x+y
<I)，所述量子壘的組成為 AlaInbGa1IbN (O ^ a < I, O ^ b < I, O 彡 a+b<l)。進(jìn)一步,所述過(guò)渡層的組成為AlyiInuGany^O彡xl彡I, O彡yl彡I, O彡xl+yl
<O ;所述分隔層的組成為 AlJribGah—bN (O ^ a < I,O ^ b < I, O ^ a+b < I);所述11型氮化鎵層為未摻雜Aly2Inx2Gany2N (O彡x2 < 1,0 ^ y2 < 1,0 ( x2+y2 < I)的半導(dǎo)體層；所述 η 型氮化鎵層為 η 型摻雜 Aly3Inx3Gany3N(C) ^x3<l,0^y3<l,0^ x3+y3
<I)的半導(dǎo)體層，摻雜元素為Si，摻雜濃度為I X IO1Vcm3 5 X IO2Vcm3 ;所述ρ型氮化鎵層為P型摻雜Aly4Inx4Gamy4N (O彡χ4彡1，0彡y4彡1，0彡x4+y4 < I)的半導(dǎo)體層，摻雜元素為Be、Mg，摻雜濃度為5 X IO1Vcm3 9 X IO2Vcm3。
采用上述技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明提出的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低量子阱由于晶格失配和熱失配所導(dǎo)致的應(yīng)力，提高外延層的晶體質(zhì)量，可形成量子點(diǎn)，以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率及亮度。


圖1為發(fā)光二極管的常規(guī)外延結(jié)構(gòu) 圖2為本發(fā)明所述實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明所述實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意 圖4為本發(fā)明所述實(shí)施例3結(jié)構(gòu)示意 圖5a為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子阱層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層的η型氮化鎵層被刻蝕為三角形的結(jié)構(gòu)示意 圖5b為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子阱層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層的η型氮化鎵層被刻蝕為拋物線形的結(jié)構(gòu)示意 圖5c為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子阱層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層的η型氮化鎵層被刻蝕為梯形的結(jié)構(gòu)示意 圖5d為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子阱層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層的η型氮化鎵層被刻蝕為方形的結(jié)構(gòu)示意 圖6a為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子阱層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層的η型氮化鎵層的表面孔圖形分布圖1 ;
圖6b為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子阱層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層的η型氮化鎵層的表面孔圖形分布圖2 ；
圖6c為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子阱層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層的η型氮化鎵層的表面孔圖形分布圖3。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。圖1為發(fā)光二極管的常規(guī)外延結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，二極管的常規(guī)外延結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)有的襯底層1、過(guò)渡層2、u型氮化鎵層3、η型氮化鎵層4、多量子阱層5 (包括交替接觸的量子壘51和量子阱52)和P型氮化鎵層6，此種結(jié)構(gòu)在生長(zhǎng)過(guò)程中由于襯底層I和外延層的晶格失配和熱失配導(dǎo)致二極管內(nèi)部存在大量的非輻射缺陷，位錯(cuò)密度達(dá)IO9CnT2 10ncnT2。圖2為本發(fā)明所述實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的二極管外延結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)有的襯底層1、過(guò)渡層2、u型氮化鎵層3、n型氮化鎵層4、多量子阱層5(包括交替接觸的量子壘51和量子阱52)、嵌入多量子阱層5中的分隔層7、以及P型氮化鎵層6，所述多量子阱層中部分或全部的量子壘51和量子阱52與嵌入的分隔層7接觸。本實(shí)施例I的一個(gè)具體實(shí)施過(guò)程為:
先在 MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition 金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)反應(yīng)爐中將襯底在1200°C的環(huán)境下進(jìn)行烘烤，處理襯底表面異物，然后在550°C的環(huán)境下沉積25nm過(guò)渡層，再將溫度升高到1100°C，依次進(jìn)行2.5 μ m u型氮化鎵層、2.5ym η型氮化鎵層、0.5 μ m分隔層的制備，將溫度降低到室溫后，再利用光刻或納米壓印技術(shù)將分隔層刻蝕成如圖5所示的微米或納米結(jié)構(gòu)圖，其表面結(jié)構(gòu)可呈如圖6所示的有規(guī)律分布或者無(wú)規(guī)律分布的表面孔圖形，所述表面孔圖形可呈圓形、三角形或其他形狀等。將樣品清洗后再放入MOCVD進(jìn)行二次生長(zhǎng)，使之在750°C的環(huán)境下生長(zhǎng)量子壘與量子阱，使得分隔層鑲嵌到第j個(gè)量子阱層中(其中:1 < j < i ;i為多量子阱層中量子阱或量子壘的層數(shù)，100)，然后再將溫度升至900°C，沉積250nm的Mg摻雜ρ型氮化鎵層，溫度冷卻到室溫后，完成生長(zhǎng)過(guò)程。本實(shí)施例中所述多量子阱層5包括i層交替接觸的量子壘51和量子阱52，其中100 ;所述多量子講層5的結(jié)構(gòu)為量子講52/量子魚51/....../量子講52/量子魚
51，或量子魚51/量子講52....../量子魚51/量子講52,或量子魚51/量子講52/量子魚
51/……/量子阱52/量子壘51 ;其中，所述量子阱52的組成為AlyInxGa^N (O < x≤1，O ≤ y < I, O ≤ x+y < I),所述量子壘 51 的組成為 AlJribGanbN (O ≤ a < 1，0 ≤ b<1，O≤a+b < I)。該實(shí)施方式中，所述過(guò)渡層2的組成為AlylInxlGai_xl_ylN(0≤xl≤1，O≤yl彡1，0≤xl+yl < I);所述u型氮化鎵層3為未摻雜Aly2Inx2Gai_x2_y2N(0≤x2 < 1，O < y2 < 1,0≤x2+y2 < I)的半導(dǎo)體層,所述η型氮化鎵層4為η型摻雜Aly3Inx3Gany3N(O≤χ3< 1，0≤y3< 1，0≤x3+y3< I)的半導(dǎo)體層，摻雜元素為Si，摻雜濃度為IXlO17/cm3 5X 1022/cm3,所述 ρ 型氮化鎵層 6 為 ρ 型摻雜 AlyJnuGany≤NOi≤ x4 ^ I, O ≤ y4 ≤ I,O < x4+y4 < I)的半導(dǎo)體層,摻雜兀素為Be、Mg,摻雜濃度為5X IO1Vcm3 9X 1023/cm3,所述分隔層7的組成為AlaInbGa1IbN (O≤a < 1，O≤b < 1，O≤a+b < I)。此結(jié)構(gòu)因量子阱為獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)，可緩解量子壘與量子阱之間的應(yīng)力，降低缺陷密度，提高器件的信賴性；且呈點(diǎn)陣狀量子阱結(jié)構(gòu)，為量子點(diǎn)發(fā)光，可使外延層的發(fā)光效率提高30%以上。圖3為本發(fā)明所述實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖，在本發(fā)明實(shí)施例中，所述二極管的外延結(jié)構(gòu)以及實(shí)施過(guò)程與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于，鑲嵌到量子阱層中的分隔層與P型氮化鎵層相連接。圖4為本發(fā)明所述實(shí)施例3結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，本發(fā)明實(shí)施例的二極管外延結(jié)構(gòu)包括依次設(shè)有的襯底層1、過(guò)渡層2、u型氮化鎵層3、n型氮化鎵層4、多量子阱層5(包括交替接觸的量子壘51和量子阱52)和ρ型氮化鎵層6，其中，所述η型氮化鎵層4延伸至多量子阱層5中，所述多量子阱層中部分或全部的量子壘51和量子阱52與延伸至其中的η型氮化鎵層4接觸。本實(shí)施例的一個(gè)具體實(shí)施過(guò)程為:
先在MOCVD反應(yīng)爐中將襯底在1200°C的環(huán)境下進(jìn)行烘烤，處理襯底表面異物，然后在550°C的環(huán)境下沉積25nm過(guò)渡層，再將溫度升高到1100°C，依次進(jìn)行2.5 μ m u型氮化鎵層、
2.5 μ m η型氮化鎵層的制備，將溫度降低到室溫后，再利用光刻或納米壓印技術(shù)將η型氮化鎵層刻蝕成如圖5所示的微米或納米結(jié)構(gòu)圖，其表面結(jié)構(gòu)可呈如圖6所示的有規(guī)律分布或者無(wú)規(guī)律分布的表面孔圖形，所述表面孔圖形可呈圓形、三角形或其他形狀等。將樣品清洗后再放入MOCVD進(jìn)行二次生長(zhǎng)，使之在750°C的環(huán)境下生長(zhǎng)量子壘與量子阱，然后再將溫度升至900°C，沉積250nm的Mg摻雜ρ型氮化鎵層，溫度冷卻到室溫后，完成生長(zhǎng)過(guò)程。本實(shí)施例中所述多量子阱層5包括i層交替接觸的量子壘51和量子阱52，其中100 ;所述多量子講層5的結(jié)構(gòu)為量子講52/量子魚51/....../量子講52/量子魚51，或量子魚51/量子講52....../量子魚51/量子講52,或量子魚51/量子講52/量子魚
51/……/量子阱52/量子壘51 ;其中，所述量子阱52的組成為AlyInxGa^N (O < x彡1，O ^ y < I, O ^ x+y < I),所述量子壘 51 的組成為 AlJribGanbN (O 彡 a < 1，0 彡 b<1，O彡a+b < I)。該實(shí)施方式中，所述過(guò)渡層2的組成為AlylInxlGai_xl_ylN(0彡xl彡1，O彡yl彡1，0彡xl+yl < I);所述u型氮化鎵層3為未摻雜Aly2Inx2Gai_x2_y2N(0彡x2 < 1，O < y2 < 1,0彡x2+y2 < I)的半導(dǎo)體層,所述η型氮化鎵層4為η型摻雜Aly3Inx3Gany3N(O彡χ3< 1，0彡y3< 1，0彡x3+y3< I)的半導(dǎo)體層，摻雜元素為Si，摻雜濃度為IXlO17/cm3 5X 1022/cm3,所述 p 型氮化鎵層 6 為 p 型摻雜 AlyJr^Gany^Oi^ x4 ^ I, O ^ y4 ^ I,O < x4+y4 < I)的半導(dǎo)體層，摻雜兀素為Be、Mg,摻雜濃度為5X IO1Vcm3 9X IO2Vcm3 此結(jié)構(gòu)因量子阱為獨(dú)立的微結(jié)構(gòu)，可緩解量子壘與量子阱之間的應(yīng)力，降低缺陷密度，提高器件的信賴性；且呈點(diǎn)陣狀量子阱結(jié)構(gòu)，為量子點(diǎn)發(fā)光，同時(shí)，縮短η型氮化鎵層與P型氮化鎵層的有效距離，提高有效電子與空穴的注入效率，可將LED電壓降低0.1-0.5V，發(fā)光效率將提聞25%。如圖5a、5b、5c和5d所不,為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子講層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層中的η型氮化鎵層被刻蝕的結(jié)構(gòu)形貌圖，圖5a、5b、5c和5d分別為刻蝕的三角形、拋物線形、梯形和方形。如圖6a、6b和6c所不，為本發(fā)明所述實(shí)施例1和實(shí)施例2嵌入多量子講層中的分隔層或?yàn)楸景l(fā)明所述實(shí)施例3中延伸至多量子阱層中的η型氮化鎵層的表面孔分布圖，其形狀并不限于圓形或橢圓，并且可以如圖6a、6b所示規(guī)則分布，也可如圖6c所示不規(guī)則分布。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任 何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)有的襯底層、過(guò)渡層、U型氮化鎵層、η型氮化鎵層、多量子阱層和P型氮化鎵層，其特征在于，所述多量子阱層包括交替排列的量子壘與量子講。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述多量子阱層中嵌入分隔層，所述多量子阱層中部分或全部的量子壘和量子阱與分隔層接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述η型氮化鎵層延伸至多量子阱層中，所述多量子阱層中部分或全部的量子壘和量子阱與延伸至其中的η型氮化鎵層接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多量子阱層包括i層交替接觸的量子阱與量子壘，其中100。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述 的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述量子阱的組成為AlyInxGa1-yN (O < x≤ I,O ≤ y ≤I, O ≤ x+y < 1),所述量子魚的組成為 AlaInbGa1^bN(O ≤彡 a < 1，0 ≤ b < 1，O ≤ a+b < I)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述過(guò)渡層的組成為 AlylInxlGanylN (O ≤ xl ≤ 1,0 ≤ yl ≤ 1,0 ≤ xl+yl < I);所述分隔層的組成為AlaInbGa1IbN (O≤a < 1，O≤b < 1，O≤ a+b < I);所述u型氮化鎵層為未摻雜Aly2Inx2Ga1^y2N (O ≤ x2 < 1,0 ≤ y2 < 1,0 ≤ x2+y2 < I)的半導(dǎo)體層；所述 η 型氮化鎵層為 η 型摻雜 Aly3Inx3Gany3N (O ≤ χ3 < 1,0 ≤ y3 < 1,0 ( x3+y3 < I)的半導(dǎo)體層，摻雜元素為Si，摻雜濃度為IXlO1Vcm3 5X IO2Vcm3 ;所述P型氮化鎵層為P型摻雜Aly4Inx4Ga1^y4N (O ≤ x4 ≤ 1,0 ≤ y4 ≤ 1,0≤ x4+y4 < I)的半導(dǎo)體層，摻雜元素為 Be、Mg,慘雜濃度為 5 X IO17/cm3 9 X IO23/cm3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)有的襯底層、過(guò)渡層、u型氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱層、嵌入多量子阱層中的分隔層或延伸至多量子阱層中的n型氮化鎵層、以及p型氮化鎵層，其中，所述多量子阱層包括交替排列的量子壘與量子阱，所述多量子阱層中部分或全部的量子壘和量子阱與嵌入的分隔層或延伸至其中的n型氮化鎵層接觸。采用本發(fā)明提出的發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，能夠有效地降低量子阱由于晶格失配和熱失配所導(dǎo)致的應(yīng)力，提高外延層的晶體質(zhì)量，并可形成量子點(diǎn)，以提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。
文檔編號(hào)H01L33/04GK103078019SQ201210058190
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者李鴻建, 艾常濤, 靳彩霞, 董志江 申請(qǐng)人:武漢迪源光電科技有限公司