一種半導體發光二極體的結構及其製作方法與流程

2023-07-09 03:33:31 1

本發明涉及半導體光電器件領域，尤其涉及氮化物半導體發光二極體的結構和製作方法領域。

背景技術：

現今，發光二極體（LED），特別是氮化物半導體發光二極體因其較高的發光效率，在普通照明領域已取得廣泛的應用。因氮化物半導體發光二極體的底層存在缺陷，導致生長量子阱時缺陷延伸會形成V形坑（V-pits）。V形坑的側壁的勢壘大於多量子阱的勢壘，導致電子不易躍遷進入V-pits的缺陷非輻射複合中心，同時，V形坑側壁可對多量子阱發出的光進行反射，改變發光角度，降低全反射角對出光影響，提升光提取效率，提升發光效率和發光強度。

具體的，傳統的氮化物半導體發光二極體，因晶格失配和熱失配在半導體生長過程中會形成缺陷，生長多量子阱時該位錯會延伸形成V形坑（V-pits），如圖1所示；因V形坑的側壁的勢壘大於多量子阱的勢壘，導致電子不易躍遷進入V形坑的缺陷非輻射複合中心，同時，V形坑側壁可對多量子阱發出的光進行反射，可改變發光角度，降低全反射角對出光影響，提升光提取效率，提升發光效率和發光強度。

傳統的多量子阱的V形坑開口向上，隨著量子阱對數的增加，其V形坑的開口越大；V形坑的開口不能無限增加，過大的開口會產生大量非輻射複合中心，引起亮度下降。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種半導體發光二極體的結構及其製作方法，其結構以及採用該製作方法製作的半導體發光二極體能夠提升光提取效應，提升發光效率。

為了達到上述目的，

本發明公開的一種半導體發光二極體的結構採用以下技術方案予以實現：

一種半導體發光二極體的結構，包括襯底，緩衝層，n型半導體層，具有x對多量子阱的第一有源層，具有y對多量子阱的第二有源層，第一有源層和第二有源層形成V形坑，所述第一、第二有源層的V形坑連接界面具有第一納米錐（需要說明的是，本發明所述的納米錐也可以是納米柱，此時，納米錐的斜面與水平面的夾角為90度）；所述V形坑斜面、第一納米錐斜面具有一層與第一p型半電體層連接的導電通道；所述第二有源層的每對量子阱界面位置對應的V形坑斜面具有磁性納米顆粒，所述第二有源層的每對量子阱界面位置對應的第一納米錐中心具有第一金屬納米顆粒；所述的V形坑與第一納米錐間隙填充透明隔離層，及在其上方沉積的第一電子阻擋層，第一p型半導體層、第二p型半導體層；所述第一納米錐的高度高於第二p型半導體層，高於第二p型半導體的第一納米錐斜面具有第二金屬納米顆粒及相連的第二納米錐，所述的第二納米錐的底部和頂端具有第二金屬納米顆粒。利用第二有源層每對量子阱界面位置的第一納米錐中心的金屬納米顆粒和V形坑斜面的磁性納米顆粒，在電流注入條件下，第二有源層形成電磁、磁光與表面等離激元多重共振耦合效應，提升有源層的量子發光效率，同時，利用第一納米錐頂端、第二納米錐及其第二金屬納米顆粒形成表面粗化效應與表面等離激元第二耦合效應提升光提取效率，第一與第二耦合效應相壘加，從而提升半導體發光二極體的發光效率。

作為本發明的一種半導體發光二極體的結構的一種優選實施方式：所述第一有源層具有x對多量子阱，第二有源層具有y對多量子阱，x≥2，y≥2，優選x=3，y=3。

作為本發明的一種半導體發光二極體的結構的一種優選實施方式：所述第一、第二納米錐材料為III-V族半導體材料或II-VI族半導體材料，第一納米錐優選GaN。

作為本發明的一種半導體發光二極體的結構的一種優選實施方式：所述第一、第二納米錐的第一、第二金屬納米顆粒為Ag、Al、Ni、Au、Cu、Ga等金屬材料或其任意組合。

作為本發明的一種半導體發光二極體的結構的一種優選實施方式：所述V形坑斜面的磁性納米顆粒為Ni、Co、Mn、FeCo、Fe3O4、Cr2O3、Fe2CrSi等各種具有磁性的的單質和化合物。

作為本發明的一種半導體發光二極體的結構的一種優選實施方式：所述的V形坑與第一納米錐間隙填充的透明隔離層材料為SiO2、SiNx等透明絕緣氧化物或半導體。

作為本發明的一種半導體發光二極體的結構的一種優選實施方式：所述的V形坑斜面、第一納米錐斜面的導電通道和第一p型半導體層相連接，厚度為1～100nm，優化20nm，Mg摻雜濃度為1E19～1E21cm-3，優先5E19 cm-3。

本發明還公開了任一上述的一種半導體發光二極體的結構的製作方法，其特徵在於，包含以下步驟：

（1）在襯底上依次外延生長緩衝層，n型半導體層，具有x對多量子阱的第一有源層，具有y對多量子阱的第二有源層，第一有源層和第二有源層形成V形坑；

（2）在所述第一、第二有源層的V形坑連接界面採用納米定位沉積技術沉積第一納米錐的生長催化劑，催化生長第一納米錐；

（3）在所述第二有源層的每對量子阱界面位置對應的第一納米錐位置各進行一次重新添加催化劑，使催化劑總量在界面處於過飽和狀態，控制生長溫度處於催化劑的固液交界溫度，使部分催化劑處於熔融狀態，部分處於固態，固態催化劑保留在第一納米錐中心形成第一金屬納米顆粒，熔融狀態的催化劑隨第一納米錐往上生長；

（4）在所述的V形坑斜面、第一納米錐斜面製作一層與第一p型半導體層連接的導電通道；

（5）在所述第二有源層的每對量子阱界面位置對應V形坑斜面採用納米定位沉積技術沉積磁性納米顆粒；

（6）在所述的V形坑與第一納米錐間隙填充透明隔離層，然後在其上方沉積的第一電子阻擋層，第一p型半導體層、第二p型半導體層；

（7）採用步驟（3）生長的第一納米錐的高度高於第二p型半導體層，在高於第二p型半導體的第一納米錐斜面採用納米定位沉積技術沉積第二金屬納米顆粒的催化劑，該催化劑處於過飽和狀態，使部分催化劑處於熔融狀態，部分處於固態，固態催化劑保留在第一納米錐與第二納米錐的界面，熔融狀態催化劑催化生長第二納米錐並保留在第二納米錐頂端，形成具有雙重金屬納米顆粒的第二納米錐。

作為本發明的一種半導體發光二極體的結構的製作方法的優選實施方式：所述納米定位沉積技術採用高精度掃描電子顯微鏡與電子束沉積相結合的可視化定位納米沉積技術。

作為本發明的一種半導體發光二極體的結構的製作方法的優選實施方式：在所述第二有源層的每對量子阱開始生長前，重新添加一次催化劑，使催化劑的面積大於該層的第一納米錐的面積，使催化劑總量在界面處於過飽和狀態，同時，控制生長溫度介於催化劑的固態-液態的溫度交界區間，使部分催化劑處於熔融狀態，部分處於固態，從而可控制在第一納米錐中心的第二有源層每個多量子阱界面位置生成第一金屬納米顆粒。

本發明有益效果是：

本發明公開的一種半導體發光二極體的結構及其製作方法提供了一種新的半導體發光二極體，其包括襯底，緩衝層，n型半導體層，具有x對多量子阱的第一有源層，具有y對多量子阱的第二有源層，第一有源層和第二有源層的V形坑界面製作第一納米錐，第二有源層的每對量子阱界面位置對應的V形坑斜面具有磁性納米顆粒，對應的第一納米錐中心具有第一金屬納米顆粒；所述第一納米錐的高度高於第二p型半導體層，其斜面的第二納米錐底部和頂端具有第二金屬納米顆粒。第二有源層形成電磁、磁光與表面等離激元多重共振耦合效應，第一納米錐頂端、第二納米錐及其第二金屬納米顆粒形成表面粗化效應與表面等離激元第二耦合效應，第一與第二耦合效應相壘加，提升半導體發光二極體的發光效率。

附圖說明

圖1為本發明實施例的傳統的具有V形坑多量子阱的半導體發光二極體示意圖。

圖2為本發明實施例的新的半導體發光二極體的示意圖。

圖3為本發明實施例的新的半導體發光二極體的製作方法的步驟(1)、(2)、(3)、(4)、(5)的示意圖。

圖4為本發明的實施例的新的半導體發光二極體的製作方法的步驟(6)的示意圖。

圖5為本發明的實施例的新的半導體發光二極體的製作方法的步驟(7)的示意圖。

附圖標記說明：

100：襯底，101：緩衝層，102：n型半導體層，103a：第一有源層：103b：第二有源層，104：V形坑，105：第一納米錐，106：第一金屬納米顆粒，107：磁性納米顆粒，108：透明隔離層，109：導電通道，110：第一電子阻擋層，111：第一p型半導體層，112：第二p型半導體層，113：第二金屬納米顆粒，114：第二納米錐。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例描述本發明具體實施方式：

如圖2～5所示，其示出了本發明的具體實施方式，如圖所示，本發明公開的一種半導體發光二極體的結構製作第一有源層和第二有源層，在第一、第二有源層形成的V形坑的界面製作第一納米錐，第二有源層每對量子阱界面位置對應的第一納米錐中心製作第一金屬納米顆粒，第二有源層的每對量子阱界面位置對應的V形坑斜面製作磁性納米顆粒，利用第二有源層每對量子阱界面位置的第一納米錐中心的第一金屬納米顆粒和V形坑斜面的磁性納米顆粒，如圖2所示。在電流注入條件下，第二有源層形成電磁、磁光、表面等離激元第一多重共振耦合效應，提升有源層的量子發光效率；同時，第一納米錐頂端、第二納米錐及其第二金屬納米顆粒形成表面粗化效應和表面等離激元第二重耦合效應，提升光提取效應；通過第一與第二耦合效應相壘加，進一步提升半導體發光二極體的發光效率。

作為本發明公開的一種半導體發光二極體的結構的製作方法的具體實施例，其包含如下步驟：

步驟1）：如圖3所示，在MOCVD金屬有機化學氣相外延設備中，在襯底100上依次外延生長緩衝層101，n型半導體層102，具有x=3對多量子阱的第一有源層103a，具有y=3對多量子阱的第二有源層103b，第一有源層和第二有源層形成V形坑104，半導體材料為III-V族材料GaN；

步驟2）：在所述第一、第二有源層的V形坑連接界面採用納米定位沉積技術沉積第一納米錐的生長Ga自催化的催化劑，採用高精度掃描電子顯微鏡與電子束沉積相結合的可視化定位納米沉積技術，開始催化生長第一納米錐105，第一納米錐材料為III-V族材料GaN。

步驟3）：在所述第二有源層的每對量子阱界面位置對應的第一納米錐105位置各進行一次重新添加Ga自催化的催化劑，使催化劑總量在界面處於過飽和狀態，控制生長溫度處於催化劑的固液交界溫度，使部分催化劑處於熔融狀態，部分處於固態，固態催化劑保留在第一納米錐中心形成第一金屬Ga納米顆粒106，熔融狀態的催化劑隨第一納米錐往上生長；

步驟4）：在所述的V形坑斜面、第一納米錐斜面製作一層與第一p型半導體層連接的導電通道109，厚度為20nm，Mg摻雜濃度為5E19 cm-3；

步驟5）：在所述第二有源層的每對量子阱界面位置對應V形坑斜面採用納米定位沉積技術沉積磁性納米顆粒107；

步驟6）：如圖4所示，在所述的V形坑與第一納米錐間隙填充透明隔離層108，材料為SiO2，然後在其上方沉積的第一電子阻擋層110，第一p型半導體層111、第二p型半導體層112；

步驟7）：如圖5所示，採用步驟3生長的第一納米錐105的高度高於第二p型半導體層112，在高於第二p型半導體的第一納米錐斜面採用納米定位沉積技術沉積Ag金屬納米顆粒的催化劑，使催化劑總量在界面處於過飽和狀態，控制生長溫度介於催化劑的固態-液態的溫度交界區間，使部分催化劑處於熔融狀態，部分處於固態，固態催化劑保留在第一納米錐與第二納米錐的界面，熔融狀態催化劑催化生長第二納米錐並保留在第二納米錐頂端，形成具有雙重金屬Ag納米顆粒113的第二納米錐114。

在電流注入條件下，第二有源層形成電磁、磁光、表面等離激元第一多重共振耦合效應，提升有源層的量子發光效率；同時，第一納米錐頂端、第二納米錐及其第二金屬納米顆粒形成表面粗化效應與表面等離激元第二耦合效應，提升光提取效應；通過第一與第二耦合效應相壘加，進一步提升氮化物半導體發光二極體的發光效率。

上面結合附圖對本發明優選實施方式作了詳細說明，但是本發明不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下做出各種變化，這些變化涉及本領域技術人員所熟知的相關技術，這些都落入本發明專利的保護範圍。

不脫離本發明的構思和範圍可以做出許多其他改變和改型。應當理解，本發明不限於特定的實施方式，本發明的範圍由所附權利要求限定。