CN106025024B - 一种氮化物发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化物发光二极管及其制作方法，包括衬底，N型氮化物，多量子阱，V‑pits，V‑pits空气腔控制层，V‑pits空气腔盖层，V‑pits的空气腔，P型氮化物以及P型接触层，其多量子阱区域的V‑Pits具有可调控的空气腔层，通过在V‑pits底部沉积空气腔控制层，然后，转移及沉积V‑pits的盖层，形成V‑pits的空气腔，从而制作V‑pits的空气腔层的体积和形状可调控的氮化物发光二极管，通过改变多量子阱发出光的散射和折射路径，提升光提取效率，提升氮化物发光二极管的发光强度和发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，特别是一种具有可调控空气腔层V-pits的氮化物发光二极管及其制作方法。
背景技术
现今，发光二极管（LED），特别是氮化物发光二极管因其较高的发光效率，在普通照明领域已取得广泛的应用。因氮化物发光二极管的底层存在缺陷，导致生长量子阱时缺陷延伸会形成V形坑（以下简称V-pits）。V-pits的侧壁的势垒大于多量子阱的势垒，导致电子不易跃迁进入V-pits的缺陷非辐射复合中心，同时，V-pits侧壁可对多量子阱发出的光进行反射，改变发光角度，降低全反射角对出光影响，提升光提取效率，提升发光效率和发光强度。通过在多量子阱的V-pits制作空气腔层的体积和形状，改变多量子阱MQW发出光的散射和折射路径，在多量子阱区域起到类似图形化衬底（英文简称PSS）的作用，提升光提取效率，提升氮化物发光二极管的发光强度和发光效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种可调控空气腔层V-pits的氮化物发光二极管，通过在多量子阱区域的V-pits制作可调控的空气腔层，调控V-pits的空气腔层的体积和形状，改变多量子阱（MQW）发出光的散射和折射路径，提升光提取效率，提升氮化物发光二极管的发光强度和发光效率。
根据本发明的第一方面：一种具有可调控空气腔层V-pits的氮化物发光二极管，依次包括：衬底，N型氮化物，多量子阱，V-pits，V-pits空气腔控制层，V-pits空气腔盖层，V-pits的空气腔，P型氮化物，以及 P型接触层，其特征在于：多量子阱区域的V-pits具有可调控的空气腔层。通过在V-pits的底部沉积空气腔控制层，形成第一平台，然后，在V-pits上方的第二平台转移及沉积一层V-pits的盖层，形成V-pits的空气腔层，从而调控V-pits的空气腔层的体积和形状，改变多量子阱（MQW）发出光的散射和折射路径，提升光提取效率，提升氮化物发光二极管的发光强度和发光效率。
进一步地，在衬底上形成缓冲层，再形成N型氮化物。
进一步地，所述可调控的空气腔层，通过在V-pits的底部沉积空气腔控制层，形成第一平台，然后，在V-pits上方的第二平台转移及沉积一层V-pits的盖层，形成V-pits的空气腔层，从而调控V-pits的空气腔层的体积和形状，改变多量子阱（MQW）发出光的散射和折射路径，提升光提取效率，提升氮化物发光二极管的发光强度和发光效率。
进一步地，所述多量子阱区域的V-pits的底部沉积空气腔控制层，通过控制层的厚度a，来调控空气腔层的第一平台的尺寸d，从而调控空气腔的形状和体积。
进一步地，所述空气腔控制层的厚度a小于V-pits的深度b。
进一步地，所述V-pits上方第二平台迅速沉积V-pits的盖层，该盖层材料不会渗透扩散至V-pits内部，从而形成空气腔层。
进一步地，所述V-pits的盖层包含两个盖层：第一盖层和第二盖层，第一盖层材料为二维材料，如氮化硼BN或石墨烯薄膜，优选氮化硼（BN）薄膜；第二盖层材料为III-V族化合物半导体及混晶超晶格结构，优选氮化铝（AlN）材料。
进一步地，所述空气腔盖层的厚度为5~500nm，优选100nm。
进一步地，所述空气腔控制层的材料为III-V族化合物半导体，如InxGa1-xN或AlyGaN1-yN或InxAlzGa1-x-zN或InxGa1-xN/GaN或AlyGaN1-yN/GaN或InxGa1-xN/AlyGa1-yN的超晶格周期性结构（0=<x<=1, 0=<y<=1, 0=<z<=1），周期为1~20对。
根据本发明的第二方面：一种具有可调控空气腔层V-pits的氮化物发光二极管的制作方法，包含以下工艺步骤：（1）在衬底上依次外延生长N型氮化物、多量子阱，多量子阱因位错延伸产生V-pits，然后，在V-pits的底部沉积空气腔控制层，形成第一平台，制备成第一外延片；（2）将第一外延片取出，利用转移技术在V-pits的第二平台开口处沉积第一盖层，然后，采用磁控溅射迅速沉积第二盖层，进行快速退火，使第一盖层和第二盖层材料完全填充住V-pits的第二平台，形成空气腔盖层，使后续的P型外延层材料不会渗透扩散至V-pits的中间，从而形成V-pits的空气腔；（3）通过二次外延生长方法，外延生长P型外延层，制备完整的氮化物发光二极管的外延片。
进一步地，先在衬底上生长缓冲层，再生长N型氮化物。
进一步地，所述空气腔控制层的厚度a小于V-pits的深度b。
附图说明
图1为传统的氮化物发光二极管多量子阱V-pits示意图。
图2为本发明实施例的具有可调控空气腔层V-pits的氮化物发光二极管的结构示意图。
图3为本发明实施例的可调控的空气腔层的示意图。
图示说明：100：衬底；101：缓冲层；102：N型氮化物；103：多量子阱；104：V-pits；105：V-pits空气腔控制层；106：V-pits空气腔盖层；106a：第一盖层；106b：第二盖层；107：V-pits的空气腔；108：P型氮化物；109：P型接触层。
具体实施方式
传统的氮化物发光二极管，因晶格失配和热失配在氮化物生长过程中会形成缺陷，生长多量子阱时该位错会延伸形成V-pits，如图1所示；因V-pits的侧壁的势垒大于多量子阱的势垒，导致电子不易跃迁进入V-pits的缺陷非辐射复合中心，同时，V-pits侧壁可对多量子阱发出的光进行反射，可改变发光角度，降低全反射角对出光影响，提升光提取效率，提升发光效率和发光强度。通过在多量子阱的V-pits制作空气腔层的体积和形状，改变多量子阱MQW发出光的散射和折射路径，在多量子阱区域起到类似图形化衬底（PSS）的作用，提升光提取效率，提升氮化物发光二极管的发光强度和发光效率。
本实施例提出一种具有可调控空气腔层V-pits的氮化物发光二极管，如图2所示，依次包括：衬底100，缓冲层101，N型氮化物102，多量子阱103，V-pits 104，V-pits空气腔控制层105，V-pits空气腔盖层106，V-pits的空气腔107，P型氮化物108以及P型接触层109。
首先，在蓝宝石衬底100上依次外延生长缓冲层101，N型氮化物102，多量子阱103，多量子阱因位错延伸产生V-pits 104；然后，在V-pits的底部沉积空气腔控制层105，空气腔控制层的材料为III-V族化合物半导体，如InxGa1-xN或AlyGaN1-yN或InxAlzGa1-x-zN或InxGa1-xN/GaN或AlyGaN1-yN/GaN或InxGa1-xN/AlyGa1-yN的超晶格周期性结构（0=<x<=1, 0=<y<=1, 0=<z<=1），周期为1~20对，定义空气腔控制层的厚度为a，该厚度小于V-pits的深度b，形成空气腔层的第一平台，该第一平台的大小为d，小于V-pits顶端的第二平台，如图3所示；然后，将外延片取出，采用转移技术转移一层氮化硼BN的二维薄膜，作为第一盖层106a盖往V-pits顶端的第二平台，再磁控测射沉积一层空气腔的AlN，作为第二盖层106b，从而形成空气腔盖层106，厚度为为5~500nm，优选100nm，迅速地将V-pits的第二平台盖住，然后，升至1100℃进行快速退火，由于磁控溅射的粒径较大，填充V-pits的第二平台后不易扩散至V-pits中，且BN和AlN材料迁移率较低，可直接填充住V-pits的第二平台，使后续的P型外延层材料不会渗透扩散至V-pits的中间，从而形成V-pits的空气腔107。最后，采用二次外延生长方法，外延生长P型外延层，如P型氮化物108以及P型接触层109，从而制作完整的氮化物发光二极管的外延片。通过控制空气腔层的厚度，可以调控空气腔控制层a的大小，调控空气腔层的体积和形状，改变多量子阱（MQW）发出光的散射和折射路径，在多量子阱区域起到类似图形化衬底（PSS）的作用，提升光提取效率，提升氮化物发光二极管的发光强度和发光效率。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。
Claims (10)
1.一种氮化物发光二极管，依次包括衬底，N型氮化物，多量子阱，V-pits，V-pits空气腔控制层，V-pits空气腔盖层，V-pits的空气腔，P型氮化物以及 P型接触层，其特征在于：所述多量子阱区域的V-pits具有可调控的空气腔层。
2.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述可调控的空气腔层，通过在V-pits的底部沉积空气腔控制层，形成第一平台，然后，在V-pits上方的第二平台转移及沉积V-pits的盖层，形成V-pits的空气腔层，从而调控V-pits的空气腔层的体积和形状，改变多量子阱发出光的散射和折射路径，在多量子阱区域起到类似图形化衬底的作用，提升光提取效率，提升氮化物发光二极管的发光强度和发光效率。
3.根据权利要求2所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述多量子阱区域的V-pits的底部沉积空气腔控制层，通过控制层的厚度a，来调控空气腔层的第一平台的尺寸d，从而调控空气腔的形状和体积。
4.根据权利要求2所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述空气腔控制层的厚度a小于V-pits的深度b。
5.根据权利要求2所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述V-pits上方第二平台转移并沉积V-pits的盖层，该盖层使后续的外延层材料不会渗透扩散至V-pits内部，从而形成空气腔层。
6.根据权利要求2所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述V-pits的盖层包含第一盖层和第二盖层，第一盖层材料为二维材料，第二盖层材料为III-V族化合物半导体及混晶或超晶格结构。
7.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述空气腔盖层的厚度为5~500nm。
8.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述空气腔控制层为InxGa1-xN或AlyGaN1-yN或InxAlzGa1-x-zN或InxGa1-xN/GaN,或AlyGaN1-yN/GaN或InxGa1-xN/AlyGa1-yN的超晶格周期性结构，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1，。
9.一种氮化物发光二极管的制作方法，包含以下工艺步骤：（1）在衬底上依次外延生长N型氮化物、多量子阱，多量子阱因位错延伸产生V-pits，然后，在V-pits的底部沉积空气腔控制层，形成第一平台，制备成第一外延片；（2）将第一外延片取出，利用转移技术在V-pits的第二平台开口处沉积第一盖层，然后，采用磁控溅射沉积第二盖层，进行快速退火，使第一盖层和第二盖层材料完全填充住V-pits的第二平台，形成空气腔盖层，使后续的P型外延层材料不会渗透扩散至V-pits的中间，从而形成V-pits的空气腔；（3）通过二次外延生长方法，外延生长P型外延层，制备完整的氮化物发光二极管的外延片。
10.根据权利要求9所述的一种氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于：所述空气腔控制层的厚度a小于V-pits的深度b。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
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