CN114267759A - 具有量子点层的外延结构及其制作方法和发光二极管芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有量子点层的外延结构及其制作方法和发光二极管芯片，以量子点有源层作为有源区，由于量子点层本身存在三维方向上对载流子的限制作用，从而能够提高发光二极管芯片的发光效率，即使在小电流下也能够实现较高的亮度。以及，本发明以量子点有源层作为有源区，无需为了获得较短的发光波长而提高Al组分，保证了发光二极管芯片的内量子效率较高。并且，本发明通过将非掺杂层的In组分制作为大于N型阻挡层的In组分，使非掺杂层与基底材料存在较大的正失配，为量子点层的生长提供了较好的条件，进而提高了发光二极管芯片的制作质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，更为具体地说，涉及一种具有量子点层的外延结构及其制作方法和发光二极管芯片。
背景技术
近年来，基于AlGaInP的发光二极管芯片的迅速发展，传统的以多量子阱作为有源区结构的器件也已相当成熟。四元系(AlXGa1-X)0.5In0.5P材料具有较宽的带隙，随着Al组分在0～0.5范围内变化，发光波长可由红光650nm变化至黄绿光550nm。随着波长变短，Al组分需要不断增加，但是Al组分增加会使得AlGaInP材料由直接带隙向间接带隙转变，导致内量子效率变低，器件亮度低。另外，微尺寸的发光二极管芯片其峰值效率会向大电流偏移，在小电流下发光效率急剧降低，那么如何提高器件的发光效率是现在微型发光二极管芯片所面临的一大难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有量子点层的外延结构及其制作方法和发光二极管芯片，有效解决了现有技术存在的技术问题，提高了发光二极管芯片的发光效率，提高了发光二极管芯片的制作质量，且保证了发光二极管芯片的内量子效率较高。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种具有量子点层的外延结构，包括：
N型限制层；
位于所述N型限制层一侧的N型阻挡层；
位于所述N型阻挡层背离所述N型限制层一侧的量子点有源层，其中，所述量子点有源层包括依次叠加的非掺杂层、所述量子点层和盖层，所述非掺杂层位于靠近所述N型阻挡层一侧，且所述非掺杂层的In组分大于所述N型阻挡层的In组分；
位于所述量子点有源层背离所述N型限制层一侧的P型阻挡层；
位于所述P型阻挡层背离所述N型限制层一侧的P型限制层。
可选的，所述N型阻挡层为N型AlGaInP阻挡层，所述非掺杂层为非掺杂AlGaInP层；
其中，所述非掺杂层的生长温度低于所述N型阻挡层的生长温度。
可选的，所述非掺杂层的厚度范围为20-80埃，包括端点值。
可选的，所述外延结构还包括：
位于所述N型限制层背离所述N型阻挡层一侧的电流扩展层；
位于所述电流扩展层背离所述N型阻挡层一侧的欧姆接触层。
可选的，所述外延结构还包括：
位于所述欧姆接触层背离所述N型阻挡层一侧的腐蚀截止层；
位于所述腐蚀截止层背离所述N型阻挡层一侧的缓冲层；
位于所述缓冲层背离所述N型阻挡层一侧的临时衬底。
可选的，所述外延结构还包括：
位于所述P型限制层背离所述N型限制层一侧的过渡层；
位于所述过渡层背离所述N型限制层一侧的窗口层。
可选的，所述非掺杂层的In组分还大于所述N型限制层的In组分。
相应的，本发明还提供了一种具有量子点层的外延结构的制作方法，用于制作上述的具有量子点层的外延结构，制作方法包括：
在N型限制层一侧的生长N型阻挡层；
在所述N型阻挡层背离所述N型限制层一侧生长量子点有源层，其中，所述量子点有源层包括依次叠加的非掺杂层、所述量子点层和盖层，所述非掺杂层位于靠近所述N型阻挡层一侧，且所述非掺杂层的In组分大于所述N型阻挡层的In组分；
在所述量子点有源层背离所述N型限制层一侧生长P型阻挡层；
在所述P型阻挡层背离所述N型限制层一侧生长P型限制层。
可选的，所述N型阻挡层为N型AlGaInP阻挡层，所述非掺杂层为非掺杂AlGaInP层，其中，所述非掺杂层的制作方法包括：
在所述N型阻挡层生长完毕后，降低生长室的生长温度，以生长所述非掺杂层。
相应的，本发明还提供了一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括上述的具有量子点层的外延结构。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供了一种具有量子点层的外延结构及其制作方法和发光二极管芯片，包括：N型限制层；位于所述N型限制层一侧的N型阻挡层；位于所述N型阻挡层背离所述N型限制层一侧的量子点有源层，其中，所述量子点有源层包括依次叠加的非掺杂层、所述量子点层和盖层，所述非掺杂层位于靠近所述N型阻挡层一侧，且所述非掺杂层的In组分大于所述N型阻挡层的In组分；位于所述量子点有源层背离所述N型限制层一侧的P型阻挡层；位于所述P型阻挡层背离所述N型限制层一侧的P型限制层。
由上述内容可知，本发明提供的技术方案，以量子点有源层作为有源区，由于量子点层本身存在三维方向上对载流子的限制作用，从而能够提高发光二极管芯片的发光效率，即使在小电流下也能够实现较高的亮度。以及，本发明以量子点有源层作为有源区，无需为了获得较短的发光波长而提高Al组分，保证了发光二极管芯片的内量子效率较高。
并且，本发明通过将非掺杂层的In组分制作为大于N型阻挡层的In组分，使非掺杂层与基底材料存在较大的正失配，为量子点层的生长提供了较好的条件，进而提高了发光二极管芯片的制作质量。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种具有量子点层的外延结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种具有量子点层的外延结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种具有量子点层的外延结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种具有量子点层的外延结构的制作方法的流程图；
图5a-图5d为图4中各步骤相应的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
正如背景技术所述，近年来，基于AlGaInP的发光二极管芯片的迅速发展，传统的以多量子阱作为有源区结构的器件也已相当成熟。四元系(AlXGa1-X)0.5In0.5P材料具有较宽的带隙，随着Al组分在0～0.5范围内变化，发光波长可由红光650nm变化至黄绿光550nm。随着波长变短，Al组分需要不断增加，但是Al组分增加会使得AlGaInP材料由直接带隙向间接带隙转变，导致内量子效率变低，器件亮度低。另外，微尺寸的发光二极管芯片其峰值效率会向大电流偏移，在小电流下发光效率急剧降低，那么如何提高器件的发光效率是现在微型发光二极管芯片所面临的一大难题。
为提高器件的发光效率，量子点材料由于其具有发光波长可调、色度纯、量子效率高等优异特性受到广泛关注。量子点是一种直径为1～100nm的半导体纳米粒子，能够在三维方向上对微晶中的电子、空穴进行限制，从而能有效提高发光效率，即使在小电流下也能够获得高亮度。另外，发光波长则由量子点的大小和形状来决定，避免了传统的以AlGaInP量子阱为有源区结构，为获得短波长来提高Al组分而导致内量子效率降低的风险。但是，现有的量子点的制备质量不高，有待提高。
基于此，本发明实施例提供了一种具有量子点层的外延结构及其制作方法和发光二极管芯片，有效解决了现有技术存在的技术问题，提高了发光二极管芯片的发光效率，提高了发光二极管芯片的制作质量，且保证了发光二极管芯片的内量子效率较高。
为实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图5d对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。
参考图1所示，为本发明实施例提供的一种具有量子点层的外延结构的结构示意图，其中，外延结构包括：
N型限制层110。
位于所述N型限制层110一侧的N型阻挡层120。
位于所述N型阻挡层120背离所述N型限制层110一侧的量子点有源层130，其中，所述量子点有源层130包括依次叠加的非掺杂层131、所述量子点层132和盖层133，所述非掺杂层131位于靠近所述N型阻挡层120一侧，且所述非掺杂层131的In组分大于所述N型阻挡层120的In组分。
位于所述量子点有源层130背离所述N型限制层110一侧的P型阻挡层140。
位于所述P型阻挡层140背离所述N型限制层110一侧的P型限制层150。
需要说明的是，本发明实施例提供的量子点有源层可以为单个量子点有源层，还可以为多个量子点有源层的叠加结构，对此需要根据实际应用进行具体选取。
可以理解的，本发明实施例提供的技术方案，以量子点有源层作为有源区，由于量子点层本身存在三维方向上对载流子的限制作用，从而能够提高发光二极管芯片的发光效率，即使在小电流下也能够实现较高的亮度。以及，本发明实施例以量子点有源层作为有源区，无需为了获得较短的发光波长而提高Al组分，保证了发光二极管芯片的内量子效率较高。
并且，本发明实施例通过将非掺杂层的In组分制作为大于N型阻挡层的In组分，使非掺杂层与基底材料存在较大的正失配，为量子点层的生长提供了较好的条件，进而提高了发光二极管芯片的制作质量。进一步的，本发明实施例提供的所述非掺杂层的In组分还大于所述N型限制层的In组分，进一步保证非掺杂层与基底材料存在较大的正失配，保证了为量子点层提供的生长条件更好。
在本发明一实施例中，本发明提供的所述N型阻挡层为N型AlGaInP阻挡层，所述非掺杂层为非掺杂AlGaInP层；其中，所述非掺杂层的生长温度低于所述N型阻挡层的生长温度。
及，本发明实施例提供的所述非掺杂层的厚度范围为可以20-80埃，包括端点值。
在本发明一实施例中，本发明提供的外延结构还可以包括更多的优化层，以提高外延结构的性能。具体如图2所示，为本发明实施例提供的另一种具有量子点层的外延结构的结构示意图，其中，本发明实施例提供的所述外延结构还包括：
位于所述N型限制层110背离所述N型阻挡层120一侧的电流扩展层160。
位于所述电流扩展层160背离所述N型阻挡层120一侧的欧姆接触层170。
进一步结合图2所示，本发明提供的所述外延结构还包括：
位于所述P型限制层150背离所述N型限制层110一侧的过渡层180。
位于所述过渡层180背离所述N型限制层110一侧的窗口层190。
进一步的，本发明实施例提供的外延结构还可以为作为中间结构与其他结构进行键合。如图3所示，为本发明实施例提供的又一种具有量子点层的外延结构的结构示意图，其中，本发明实施例提供的所述外延结构还包括：
位于所述欧姆接触层170背离所述N型阻挡层120一侧的腐蚀截止层210。
位于所述腐蚀截止层210背离所述N型阻挡层120一侧的缓冲层220。
位于所述缓冲层220背离所述N型阻挡层120一侧的临时衬底230。
可以理解的，在外延结构与其他永久衬底结构进行键合后，可以去除腐蚀截止层、缓冲层和临时衬底。
相应的，本发明实施例还提供了一种具有量子点层的外延结构的制作方法，用于制作上述的具有量子点层的外延结构。如图4所示，为本发明实施例提供的一种具有量子点层的外延结构的制作方法的流程图，其中，制作方法包括：
S1、在N型限制层一侧的生长N型阻挡层。
S2、在所述N型阻挡层背离所述N型限制层一侧生长量子点有源层，其中，所述量子点有源层包括依次叠加的非掺杂层、所述量子点层和盖层，所述非掺杂层位于靠近所述N型阻挡层一侧，且所述非掺杂层的In组分大于所述N型阻挡层的In组分。其中，量子点有源层可以为单个量子点有源层，还可以为多个量子点有源层的叠加结构，对此需要根据实际应用进行具体选取。
S3、在所述量子点有源层背离所述N型限制层一侧生长P型阻挡层。
S4、在所述P型阻挡层背离所述N型限制层一侧生长P型限制层。
下面结合附图对本发明实施例提供的制作方法进行更详细的描述，如图5a-5d所示，为图4中各步骤相应的结构示意图。
如图5a所示，对应步骤S1，在N型限制层110一侧的生长N型阻挡层120。
在本发明一实施例中，本发明提供的外延结构还可以包括更多的优化层，如位于所述N型限制层背离所述N型阻挡层一侧的电流扩展层；及位于所述电流扩展层背离所述N型阻挡层一侧的欧姆接触层。且进一步的，本发明实施例提供的外延结构还可以为作为中间结构与其他结构进行键合。其中，本发明实施例提供的所述外延结构还包括：位于所述欧姆接触层背离所述N型阻挡层一侧的腐蚀截止层。位于所述腐蚀截止层背离所述N型阻挡层一侧的缓冲层。位于所述缓冲层背离所述N型阻挡层一侧的临时衬底。
亦即，本发明实施例提供的制作方法，可以先提供临时衬底，临时衬底可以为GaAs倒装15°的衬底，将其放入反应室中。对反应室升温后，先在临时衬底上生长缓冲层，缓冲层可以为GaAs缓冲层，掺杂元素可以为Si/Te，掺杂浓度可以为1～5E18。在缓冲层上生长腐蚀截止层，腐蚀截止层可以为GaInP腐蚀截止层，掺杂元素可以为Si/Te，掺杂浓度可以为1～5E18。在腐蚀截止层上生长欧姆接触层，欧姆接触层可以为GaAs欧姆接触层，掺杂元素可以为Si/Te，掺杂浓度可以为1～5E18。在欧姆接触层上生长电流扩展层，电流扩展层可以为AlGaInP电流扩展层，掺杂元素可以为Si/Te，掺杂浓度可以为1～5E18。在电流扩展层上生长厚度为2000-60000埃(包括端点值)的N型限制层，N型限制层可以为N型AlInP限制层，掺杂元素可以为Si/Te，掺杂浓度可以为1～3E18。而后在N型限制层上生长N型阻挡层，N型阻挡层可以为N型AlGaInP阻挡层。
如图5b所示，对应步骤S2，在所述N型阻挡层120背离所述N型限制层110一侧生长量子点有源层130，其中，所述量子点有源层130包括依次叠加的非掺杂层131、所述量子点层132和盖层133，所述非掺杂层131位于靠近所述N型阻挡层120一侧，且所述非掺杂层131的In组分大于所述N型阻挡层120的In组分。
在本发明一实施例中，本发明提供的所述N型阻挡层为N型AlGaInP阻挡层，所述非掺杂层为非掺杂AlGaInP层，其中，所述非掺杂层的制作方法包括：在所述N型阻挡层生长完毕后，降低生长室的生长温度，以生长所述非掺杂层。亦即，在N型阻挡层制作完毕后，首先降低生长室的生长温度，而后向反应室中通入三甲基铝、三甲基镓、三甲基铟及磷烷，生长20-80埃厚度的非掺杂富In层，其中，生长所述非掺杂层时的生长温度为580-660℃，包括端点值。降低生长温度能够使得N型AlGaInP阻挡层的表面均匀分布该富In层，因为In在高温下容易蒸发，降低生长温度能够有效提高非掺杂层的In的并入量，使其与基底材料存在较大的正失配，为量子点层的生长提供了有力条件。
在本发明一实施例中，本发明提供的量子点层为GaInP量子点层，及盖层为AlGaInP盖层；其中，AlGaInP盖层可以包括叠加的非掺杂低温AlGaInP子盖层和非掺杂高温AlGaInP子盖层。生长完毕非掺杂层后，继续降低反应室的温度，并且通入三甲基镓、三甲基铟及磷烷，沉积GaInP量子点层；最后升高反应室的温度，向反应室中通入三甲基铝、三甲基镓、三甲基铟及磷烷，继续沉积60-120埃(包括端点值)厚度的非掺杂低温AlGaInP子盖层，继续升高反应室的温度，生长200-1500埃(包括端点值)厚度的非掺杂高温(其中高温为较于非掺杂低温AlGaInP子盖层生长时的生长温度)AlGaInP子盖层。
由此，可以通过调整生长温度和时间来获取不同的量子点的尺寸，循环生长1-10周期得到最终的量子点有源层相关结构。
如图5c所示，对应步骤S3，在所述量子点有源层130背离所述N型限制层110一侧生长P型阻挡层140。
在本发明一实施例中，本发明提供的P型阻挡层可以为P型AlGaInP阻挡层。在生长量子点有源层完毕后，升高反应室温度至阻挡层的生长温度，生长非掺杂层的P型AlGaInP阻挡层。
如图5d所示，对应步骤S4，在所述P型阻挡层140背离所述N型限制层110一侧生长P型限制层150。
本发明提供的外延结构还可以包括更多的优化层，以提高外延结构的性能。如本发明提供的所述外延结构还包括：位于所述P型限制层背离所述N型限制层一侧的过渡层。位于所述过渡层背离所述N型限制层一侧的窗口层。亦即，生长P型阻挡层完毕后，在P型阻挡层上生长厚度为2000-60000埃(包括端点值)的P型限制层，P型限制层可以为P型AlInP限制层，掺杂元素可以为Mg/Zn，掺杂浓度可以为1～5E18。而后在P型限制层上生长厚度为200-500埃(包括端点值)的过渡层，过渡层可以为AlGaInP过渡层，掺杂元素可以为Mg/Zn，掺杂浓度可以为1～5E18。最后在过渡层上生长窗口层，窗口层可以为GaP窗口层，掺杂元素可以为Mg/Zn/C。
相应的，本发明实施例还提供了一种发光二极管芯片，所述发光二极管芯片包括上述任意一实施例提供的具有量子点层的外延结构。
本发明实施例提供了一种具有量子点层的外延结构及其制作方法和发光二极管芯片，包括：N型限制层；位于所述N型限制层一侧的N型阻挡层；位于所述N型阻挡层背离所述N型限制层一侧的量子点有源层，其中，所述量子点有源层包括依次叠加的非掺杂层、所述量子点层和盖层，所述非掺杂层位于靠近所述N型阻挡层一侧，且所述非掺杂层的In组分大于所述N型阻挡层的In组分；位于所述量子点有源层背离所述N型限制层一侧的P型阻挡层；位于所述P型阻挡层背离所述N型限制层一侧的P型限制层。
由上述内容可知，本发明实施例提供的技术方案，以量子点有源层作为有源区，由于量子点层本身存在三维方向上对载流子的限制作用，从而能够提高发光二极管芯片的发光效率，即使在小电流下也能够实现较高的亮度。以及，本发明实施例以量子点有源层作为有源区，无需为了获得较短的发光波长而提高Al组分，保证了发光二极管芯片的内量子效率较高。
并且，本发明实施例通过将非掺杂层的In组分制作为大于N型阻挡层的In组分，使非掺杂层与基底材料存在较大的正失配，为量子点层的生长提供了较好的条件，进而提高了发光二极管芯片的制作质量。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种具有量子点层的外延结构，其特征在于，包括：
N型限制层；
位于所述N型限制层一侧的N型阻挡层；
位于所述N型阻挡层背离所述N型限制层一侧的量子点有源层，其中，所述量子点有源层包括依次叠加的非掺杂层、所述量子点层和盖层，所述非掺杂层位于靠近所述N型阻挡层一侧，且所述非掺杂层的In组分大于所述N型阻挡层的In组分；
位于所述量子点有源层背离所述N型限制层一侧的P型阻挡层；
位于所述P型阻挡层背离所述N型限制层一侧的P型限制层。
2.根据权利要求1所述的具有量子点层的外延结构，其特征在于，所述N型阻挡层为N型AlGaInP阻挡层，所述非掺杂层为非掺杂AlGaInP层；
其中，所述非掺杂层的生长温度低于所述N型阻挡层的生长温度。
3.根据权利要求1所述的具有量子点层的外延结构，其特征在于，所述非掺杂层的厚度范围为20-80埃，包括端点值。
4.根据权利要求1所述的具有量子点层的外延结构，其特征在于，所述外延结构还包括：
位于所述N型限制层背离所述N型阻挡层一侧的电流扩展层；
位于所述电流扩展层背离所述N型阻挡层一侧的欧姆接触层。
5.根据权利要求4所述的具有量子点层的外延结构，其特征在于，所述外延结构还包括：
位于所述欧姆接触层背离所述N型阻挡层一侧的腐蚀截止层；
位于所述腐蚀截止层背离所述N型阻挡层一侧的缓冲层；
位于所述缓冲层背离所述N型阻挡层一侧的临时衬底。
6.根据权利要求1所述的具有量子点层的外延结构，其特征在于，所述外延结构还包括：
位于所述P型限制层背离所述N型限制层一侧的过渡层；
位于所述过渡层背离所述N型限制层一侧的窗口层。
7.根据权利要求1所述的具有量子点层的外延结构，其特征在于，所述非掺杂层的In组分还大于所述N型限制层的In组分。
8.一种具有量子点层的外延结构的制作方法，其特征在于，用于制作权利要求1-7任意一项所述的具有量子点层的外延结构，制作方法包括：
在N型限制层一侧的生长N型阻挡层；
在所述N型阻挡层背离所述N型限制层一侧生长量子点有源层，其中，所述量子点有源层包括依次叠加的非掺杂层、所述量子点层和盖层，所述非掺杂层位于靠近所述N型阻挡层一侧，且所述非掺杂层的In组分大于所述N型阻挡层的In组分；
在所述量子点有源层背离所述N型限制层一侧生长P型阻挡层；
在所述P型阻挡层背离所述N型限制层一侧生长P型限制层。
9.根据权利要求8所述的具有量子点层的外延结构的制作方法，其特征在于，所述N型阻挡层为N型AlGaInP阻挡层，所述非掺杂层为非掺杂AlGaInP层，其中，所述非掺杂层的制作方法包括：
在所述N型阻挡层生长完毕后，降低生长室的生长温度，以生长所述非掺杂层。
10.一种发光二极管芯片，其特征在于，所述发光二极管芯片包括权利要求1-7任意一项所述的具有量子点层的外延结构。
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