CN113471341A - 一种基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种基于红光A l I nGaAs量子点的Mi cro‑LED结构及其制备方法。所述Mi cro‑LED结构自下而上依次包括衬底、n型层、多量子阱有源层以及p型层；所述多量子阱有源层包括势阱层；所述势阱层包括A l I nGaAs量子点层。其能够降低侧壁及其边缘处的非辐射复合，有效提高低电流密度下的发光效率；且其发光波长可实现在红光波长范围的调控；且其结构简单，制备工艺简便，易于生产应用。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，特别涉及一种基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构及其制备方法。
背景技术
在现有的LED芯片中，普通LED芯片的应用以固态照明和显示器背光等为主，目前正在迅速发展的Mini-LED则以户内外显示屏等为主要应用领域，但是，在许多对尺寸和像素密度要求较高的应用领域，上述现有的技术还不能满足应用需求。
Micro-LED显示器件是在单片上集成高密度的像素发光单元所组成的二维阵列显示器件，由于Micro-LED具有宽色域、高可靠性、节能、高对比度、宽视角、快速响应、外形轻薄、多应用场景等优势，且其微米级光源式的显示像素提供足够空间以集成各类功能器件，其可实现显示、照明、通信、定位和传感的多功能集成，是下一代信息显示技术的最合适解决方法之一。
传统LED的发光单元尺寸通常大于100μm，而单颗Micro-LED的典型尺寸在1-100μm，其尺寸往往小于100μm。由于需要将芯片持续做到几十微米甚至几微米芯片微小化工艺难度加大，相较传统产品，其红光良率、波长均匀性等性能要求严格，且微小化后边界效应明显，内量子效率较低，这也导致其成为主流的显示技术还面临着诸多挑战。本领域技术人员已知，要实现高性能Micro-LED的一个先决条件是其在低电流密度下具有较高的内量子效率，但是，恰恰随着芯片尺寸的减小，在其侧壁及其边缘处的表面非辐射复合会随之增加，即尺寸效应，而这将导致Mirco-LED在低电流密度下内量子效率较低，从而制约Micro-LED的性能提高，使其应用受限。因此，如何降低Micro-LED在其侧壁及其边缘处的表面非辐射复合，从而克服内量子效率降低的问题，正是本领域迫切需要解决的技术难点。
申请号为US15442962、公开日为20171019的发明专利公开了一种光学器件，所述光学器件包括多量子阱有源层，其包含InAs量子点材料，并适于发射波长范围为1200nm至2000nm的辐射；还包括支撑所述量子点的支撑层，所述支撑层与InP晶格匹配。
发明内容
为解决因Micro-LED中侧壁及其边缘处的表面非辐射复合增加所导致的低电流密度下内量子效率较低的问题。本发明提供一种基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构，用于提高Micro-LED的内量子效率，从而实现Micro-LED在低电流密度下的高效率发光。
本发明提供的一种基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构，自下而上依次包括衬底、n型层、多量子阱有源层以及p型层；所述多量子阱有源层包括势阱层；所述势阱层包括AlInGaAs量子点层。
量子点材料作为一种新型无机半导体，其具有宽激发光谱、窄半峰宽、发射光谱可调、荧光产率高、发射光谱可调等优势。相较于平面量子阱结构，基于AlInGaAS量子点材料的AlInGaAs量子点层，其将平面的势阱结构变为岛状生长的量子点结构，可使得有源区载流子局域化，不仅增强局域载流子浓度，而且使得侧壁载流子浓度降低，从而降低Micro-LED在其侧壁及其边缘处的表面非辐射复合，从而提高Mirco-LED的内量子效率，使其能够在低电流密度下实现高效率发光。
所述AlInGaAs量子点层中，用Al部分替代InxGa1-xAs中的Ga以生成四元合金化合物AlyInxGa1-x-yAs;这种量子点材料可以增加电子跃迁能，缩短发射波长，同时提高了发光稳定性。此外，根据需求调整改变AlInGaAs材料中的Al组分量，发光波长可实现在红光波长范围的调控，其适用于发光波长范围从785 nm到890 nm的辐射。
进一步地，所述多量子阱有源层还包括设于势阱层下方的势垒层；所述势垒层的材料采用GaAs或AlGaAs。
对于势垒层的材料选择要选既要比AlInGaAs禁带宽度大又要晶格失配度小的材料。
进一步地，所述p型层表面设有延伸至n型层表面的开孔，以使n型层表面形成外露区域，所述外露区域设有n型欧姆接触电极，所述p型层表面设有p型欧姆接触电极。
进一步地，所述多量子阱有源层包括N个周期交替层叠生长的量子点有源区结构，其中，N>2，且每个量子点有源区结构自下而上依次包括单层势垒层以及单层势阱层；所述单层势垒层厚度为5-200nm, 所述单层势阱层中AlInGaAs量子点层厚度为2-10mL。
其中，所述mL为monolayer的缩写,是覆盖度的单位。
进一步地，所述p型层的材料为砷化镓或氮化镓，其采用Be或Mg掺杂，掺杂浓度为1×1017至5×1018cm-3。
进一步地，所述p型层的层厚为2-100nm。
进一步地，所述n型层的材料为砷化镓或氮化镓。
进一步地，所述n型层的层厚为0.2-2μm。
进一步地，所述衬底的材料为磷化铟或氮化铝单晶或蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅或氮化镓。
进一步地，所述n型欧姆接触电极材料为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au 。
进一步地，所述p型欧姆接触电极材料为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au。
本发明还提供一种如上所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构的制备方法，其包括以下步骤：
S100、运用金属有机物气相外延技术，在衬底上生长n型层；
S200、在n型层上生长多量子有源层：
S210、运用金属有机物气相外延技术，在n型层上生长势垒层，生长温度控制在500-800℃；
S220、运用金属有机物气相外延技术或MBE，在势垒层上方按设计使用Stranski-Krastanow（S-K）或VW生长模式生长势阱层中的AlInGaAs量子点层；
S230、将S210、S220两个步骤再循环N-1个周期，生长出N个量子点有源区结构；
S300、运用金属有机物气相外延技术，在多量子阱有源层上生长p型层；
S400、在n型层边缘处进行光刻开孔,暴露出n型层；
S500、使用物理气相沉积磁控溅射工艺，在开孔处所暴露出的n型层上和p型层上沉积电极；然后进行退火，以形成n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构使用AlInGaAs量子点层，不仅增强局域载流子浓度，而且使得侧壁载流子浓度降低，因此能够降低侧壁及其边缘处的表面非辐射复合，有效提高低电流密度下的发光效率；此外，发光波长可实现在红光波长范围的调控；且所述基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构，其结构简单，制备工艺简便，易于生产应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的实施例1中基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构中的外延片示意图；
图2为本发明提供的实施例1中基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构的完整器件结构示意图。
图3为本发明提供的实施例2中基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构的完整器件结构示意图。；
图4为本发明提供的实施例1-2中基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构的Micro-LED发光单元台面平面示意图；
附图标记：
| 100 衬底 | 200 n型层 | 300 多量子阱有源层 |
| 400 p型层 | 500 n型欧姆接触电极 | 600 p型欧姆接触电极 |
| 310 势垒层 | 320 势阱层 | 321量子点层 |
| 322浸润层 |
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供如下一种基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构，自下而上依次包括衬底、n型层、多量子阱有源层以及p型层；所述多量子阱有源层包括势阱层；所述势阱层包括AlInGaAs量子点层。
优选地，所述多量子阱有源层还包括设于势阱层下方的势垒层；所述势垒层的材料采用GaAs或AlGaAs。
优选地，所述p型层表面设有延伸至n型层表面的开孔，以使n型层表面形成外露区域，所述外露区域设有n型欧姆接触电极，所述p型层表面设有p型欧姆接触电极。
优选地，所述多量子阱有源层包括N个周期交替层叠生长的量子点有源区结构，其中，N>2，且每个量子点有源区结构自下而上依次包括单层势垒层以及单层势阱层；所述单层势垒层厚度为5-200nm, 所述单层势阱层中AlInGaAs量子点层厚度为2-10mL。
优选地，采用Stranski-Krastanow（S-K）生长模式生长势阱层时，所述多量子阱有源层包括N个周期交替层叠生长的量子点有源区结构，其中N>2，每个量子点有源区结构自下而上依次包括单层势垒层和单层势阱层，所述单层势阱层还包括设于AlInGaAs量子点层下方的单层浸润层；所述单层势垒层厚度为5-200nm, 所述单层势阱层中AlInGaAs量子点层厚度为2-10ML。
优选地，所述浸润层材料采用GaAs或AlGaAs。
优选地，所述p型层的材料为砷化镓或氮化镓，其采用Be或Mg掺杂，掺杂浓度为1×1017至5×1018cm-3。
优选地，所述p型层的层厚为2-100nm。
优选地，所述n型层的材料为砷化镓或氮化镓。
优选地，所述n型层的层厚为0.2-2μm。
优选地，所述衬底为同质衬底或者异质衬底。
优选地，所述衬底的材料为磷化铟或氮化铝单晶或蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅或氮化镓；其中，所述氮化镓、氮化铝单晶为同质衬底，所述磷化铟、蓝宝石、碳化硅、石英、单晶硅为异质衬底。
优选地，所述n型欧姆接触电极材料为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au 。
优选地，所述p型欧姆接触电极材料为Ni/Au或Ti/Au或Cr/Au。
本发明还提供一种如上所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构的制备方法，其包括以下步骤：
S100、运用金属有机物气相外延技术，在衬底上生长n型层；
S200、在n型层上生长多量子有源层：
S210、运用金属有机物气相外延技术，在n型层上生长势垒层，生长温度控制在500-800℃；
S220、运用金属有机物气相外延技术或MBE，在势垒层上方按设计使用Stranski-Krastanow（S-K）或VW生长模式生长势阱层中的AlInGaAs量子点层；
S230、将S210、S220两个步骤再循环N-1个周期，生长出N个量子点有源区结构；
S300、运用金属有机物气相外延技术，在多量子阱有源层上生长p型层，得到基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构，即得到基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构中的外延片结构；
S400、在n型层边缘处进行光刻开孔,暴露出n型层；
S500、使用物理气相沉积磁控溅射工艺，在开孔处所暴露出的n型层上和p型层上沉积电极；然后进行退火，以形成n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极。
其中，所述S220中，关于使用S-K或VW模式生长，具体生长模式选择按照所选的势垒层材料和量子点层材料之间的晶格失配度和浸润度确定。
优选地，还包括S600,所述S600中，使用ICP-RIE刻蚀技术，刻蚀沉积完电极的Micro-LED发光单元台面，从p型层顶部刻蚀至衬底的上表面。
优选地，在生长n型层前，即S100前，运用金属有机物气相外延技术，在衬底上低温生长缓冲层。
优选地，在S220中，所述势阱层中的AlInGaAs量子点层采用两步法分步生长。
优选地，两步法分步生长AlInGaAs量子点层，两步的前后时间间隔为30-60s。
生长过程中采用两步分步且两步生长间隔中断，以使AlInGaAs量子点层表面平整，同时使得量子点更加均匀。
优选地，S220中，在采用Stranski-Krastanow（S-K）生长模式时，在生长AlInGaAs量子点层前，势垒层上还生长有浸润层，而后再生长AlInGaAs量子点层。
本发明还提供如下所述实施例：
实施例1：
本发明提供如图1-2、4实施例1所示的一种基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构，且其制备方法如下：
1）生长氮化镓缓冲层和n型层200，即氮化镓层200，具体为：
1.1）运用金属有机物气相外延技术，将蓝宝石衬底100置于H2气氛中，在1100℃高温和100Torr反应室压强下，去除表面的沾污；而后将温度控制在535℃，在120Torr反应室压强下，通入TMGa和NH3并在衬底c面上生长低温氮化镓缓冲层（所述缓冲层图中未显示）；
1.2）在步骤1.1）得到的低温氮化镓缓冲层上，升高温度至1000℃，在200Torr反应室压强下，继续通入TMGa和NH3，生长厚度为2μm的n型层200，即氮化镓层200；
2）生长多量子有源层300，即生长势垒层310和势阱层320，具体为：
2.1）运用金属有机物气相外延技术，生长温度控制在700℃，在生长好的n型层200上生长6nm厚的GaN势垒层310；
2.2）生长完第一层势垒层310后，生长第一层势阱层320,所述势阱层320包括浸润层322和AlInGaAs量子点层321：
运用金属有机物气相外延技术，在势垒层310上生长浸润层322，；而后在浸润层322上，按设计使用S-K生长模式生长AlInGaAs量子点层321，其分两步生长，第一步：生长温度为480℃下，生长厚度2.4ML，生长后停顿35s，停顿的时间间隔内将温度升到500℃；而后第二步：继续生长厚度为0.6ML的AlInGaAs量子点层322，从而通过两步法生成第一层势阱层320；
2.3)以上两个步骤2.1）和2.2）再循环3个周期，即两个步骤2.1）和2.2）统共循环4个周期，生长出四个量子点有源区结构。
3）运用金属有机物气相外延技术，在生长好的多量子阱有源层上生长一层厚200nm的p型层400，所述p型层为氮化镓材料，其采用Mg掺杂，掺杂浓度为1018cm-3,如图1所示。
4）对上述生长好的上述层叠结构，即外延片进行光刻处理，具体为：
4.1）对其进行进行有机清洗，依次在丙酮、乙醇及高纯度去离子水中分别超声清洗10分钟；然后用去离子水加强冲洗，去除有机物；再使用氮气烘干表面；
4.2）使用AZ5214E光刻胶进行涂胶，甩胶，前烘；然后使用德国Karlsuss MA6/BA6型双面对准光刻机进行对准和曝光；
4.2）使用氢氟酸溶液腐蚀未被光刻胶遮挡的部分，即n型层200边缘处进行光刻开孔,暴露出n型层200；
5）在刻好的Micro-LED结构，即刻好的外延片上沉积电极，具体为：
5.1）采用物理气相沉积磁控溅射工艺，在开孔处所暴露出的n型层上和p型层上沉积Ni/Au电极；
5.2）使用丙酮溶液剥离光刻胶；
5.3）在氮气氛围下，400℃/60s条件下退火以形成n型欧姆接触电极500以及p型欧姆接触电极600。
6）使用ICP-RIE刻蚀技术刻蚀沉积完电极的Micro-LED发光单元台面，所述发光单元台面如图4所示，从p型层400顶部刻蚀到衬底100的上表面，即得所述基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构完整器件，如图2所示。
实施例2：
本发明提供如图3-4实施例2所示的一种基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构，且其制备方法如下：
1）生长砷化镓缓冲层和n型层200，即砷化镓层200，具体为：
1.1）将蓝宝石衬底100置于H2气氛中，在1100℃高温和100Torr反应室压强下，去除表面的沾污，运用金属有机物气相外延技术，温度控制在630℃，在100Torr反应室压强下，在衬底上生长低温砷化镓缓冲层（图中未显示）；
1.2）在步骤1.1）得到的低温砷化镓缓冲层上，升高温度至1000℃，在200Torr反应室压强下，生长厚度为2微米左右的n型层200，即砷化镓层200；
2）生长多量子有源层300，即生长势垒层310和势阱层320，具体为：
2.1）运用金属有机物气相外延技术，生长温度控制在700℃，在生长好的n型层200上生长6nm厚的AlGaAs势垒层310；
2.2）生长完第一层势垒层310后，生长第一层势阱层320,所述势阱层320包括AlInGaAs量子点层321：
运用金属有机物气相外延技术，在势垒层310上，按设计使用VW生长模式生长AlInGaAs量子点层321，其分两步生长，第一步：生长温度为480℃下，生长厚度2.4ML，生长后停顿35s，停顿的时间间隔内将温度升到500℃；而后第二步：继续生长厚度为0.6ML的AlInGaAs量子点层322，从而通过两步法生成第一层势阱层320；
2.3)以上两个步骤2.1）和2.2）再循环3个周期，即两个步骤2.1）和2.2）统共循环4个周期，生长出四个量子点有源区结构。
3）运用金属有机物气相外延技术，在生长好的多量子阱有源层上生长一层厚200nm的p型层400，所述p型层为砷化镓材料，其采用Be掺杂，掺杂浓度为1018cm-3。
4）对上述生长好的上述层叠结构，即外延片进行光刻处理，具体为：
4.1）对其进行进行有机清洗，依次在丙酮、乙醇及高纯度去离子水中分别超声清洗10分钟；然后用去离子水加强冲洗，去除有机物；再使用氮气烘干表面；
4.2）使用AZ5214E光刻胶进行涂胶，甩胶，前烘；然后使用德国Karlsuss MA6/BA6型双面对准光刻机进行对准和曝光；
4.2）使用氢氟酸溶液腐蚀未被光刻胶遮挡的部分，即n型层200边缘处进行光刻开孔,暴露出n型层200；
5）在刻好的Micro-LED结构，即刻好的外延片上沉积电极，具体为：
5.1）采用物理气相沉积磁控溅射工艺，在开孔处所暴露出的n型层上和p型层上沉积Ni/Au电极；
5.2）使用丙酮溶液剥离光刻胶；
5.3）在氮气氛围下，400℃/60s条件下退火以形成n型欧姆接触电极500以及p型欧姆接触电极600。
6）使用ICP-RIE刻蚀技术刻蚀沉积完电极的Micro-LED发光单元台面，所述发光单元台面，如图4所示，从p型层400顶部刻蚀到衬底100的上表面，即得所述基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构完整器件，如图3所示。
由上述描述可知，相较于传统的平面量子阱结构，本发明采用了基于AlInGaAS量子点材料的AlInGaAs量子点层，其将平面的势阱结构变为岛状生长的量子点结构，可使得有源区载流子局域化，不仅增强局域载流子浓度，而且使得侧壁载流子浓度降低，从而降低有源区因侧壁损伤造成的表面复合，且该AlInGaAS量子点材料可以增加电子跃迁能，缩短发射波长，同时提高了发光稳定性。基于红光AlInGaAs量子点的Micro-LED结构可实现在785-890nm发光波长范围辐射发光，且内量子效率提高，能够在低电流密度下实现高效率发光。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：自下而上依次包括衬底、n型层、多量子阱有源层以及p型层；
所述多量子阱有源层包括势阱层；所述势阱层包括AlInGaAs量子点层。
2.根据权利要求1所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：所述多量子阱有源层还包括设于势阱层下方的势垒层，所述势垒层的材料采用GaAs或AlGaAs。
3.根据权利要求1所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：所述p型层表面设有延伸至n型层表面的开孔，以使n型层表面形成外露区域，所述外露区域设有n型欧姆接触电极，所述p型层表面设有p型欧姆接触电极。
4.根据权利要求2所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：所述多量子阱有源层包括N个周期交替层叠生长的量子点有源区结构，其中，N>2，且每个量子点有源区结构自下而上依次包括单层势垒层以及单层势阱层；
所述单层势垒层厚度为5-200nm,所述单层势阱层中AlInGaAs量子点层厚度为2-10mL。
5.根据权利要求1所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：所述p型层的材料为砷化镓或氮化镓，其采用Be或Mg掺杂，掺杂浓度为1×1017至5×1018cm－3。
6.根据权利要求5所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：所述p型层的层厚为2－100nm。
7.根据权利要求1所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：所述n型层的材料为砷化镓或氮化镓。
8.根据权利要求7所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：所述n型层的层厚为0.2－2μm。
9.根据权利要求1所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构，其特征在于：所述衬底的材料为磷化铟或氮化铝单晶或蓝宝石或碳化硅或石英或单晶硅或氮化镓。
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、运用金属有机物气相外延技术，在衬底上生长n型层；
S200、在n型层上生长多量子有源层：
S210、运用金属有机物气相外延技术，在n型层上生长势垒层，生长温度控制在500－800℃；
S220、运用金属有机物气相外延技术或MBE，在势垒层上方按设计使用Stranski－Krastanow或VW生长模式生长势阱层中的AlInGaAs量子点层；
S230、将S210、S220两个步骤再循环N－1个周期，生长出N个量子点有源区结构；
S300、运用金属有机物气相外延技术，在多量子阱有源层上生长p型层，即得基于红光AlInGaAs量子点的Micro－LED结构；
S400、在n型层边缘处进行光刻开孔，暴露出n型层；
S500、使用物理气相沉积磁控溅射工艺，在开孔处所暴露出的n型层上和p型层上沉积电极；然后进行退火，以形成n型欧姆接触电极和p型欧姆接触电极。
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