具有低溫AlInN插入壘層的氮化物發(fā)光二極管外延片及其生產(chǎn)工藝制造技術(shù)

具有低溫AlInN插入壘層的氮化物發(fā)光二極管外延片及其生產(chǎn)工藝，涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，本發(fā)明專利技術(shù)在制作時(shí)，于量子壘插入低溫AlInN壘層，通過(guò)納米級(jí)坑洞結(jié)構(gòu)，增大了發(fā)光層發(fā)光面積，同時(shí)利用量子點(diǎn)限制效應(yīng)降低QCSE，改善In并入提升電子和空穴的復(fù)合效率，其次，靠近N型氮化物第一個(gè)發(fā)光層AlInN插入壘層設(shè)置金屬反射層可使發(fā)光層射向襯底的光線被反射提升正面出光；同時(shí)，低溫非摻雜氮化物層修復(fù)發(fā)光層表面，并起到空穴注入聚集和電流擴(kuò)展作用，提高載流子注入均勻性；較AlGaN材料發(fā)光層極化效應(yīng)降低，同時(shí)可以限制電子溢出，降低大電流下效率驟降效應(yīng)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及半導(dǎo)體光電器件領(lǐng)域，具體為一種氮化物發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)。技術(shù)背景GaN基發(fā)光二極管LED是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，具有壽命長(zhǎng)、能耗低、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為目前最有前景的照明光源，是先導(dǎo)照明技術(shù)的一個(gè)重要趨勢(shì)；但依然存在發(fā)光強(qiáng)度和效率低的問(wèn)題，進(jìn)一步提高LED的發(fā)光強(qiáng)度和光效是LED照明技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)。鑒于LED照明技術(shù)中存在的發(fā)光強(qiáng)度和效率低的問(wèn)題，同時(shí)一顆LED燈珠生產(chǎn)一般經(jīng)歷外延生長(zhǎng)段、芯片制造段和封裝段三個(gè)階段，其中外延生長(zhǎng)決定了LED超過(guò)80%的亮度，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的核心，所以有必要提出一種新的外延結(jié)構(gòu)改善發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度和效率。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)第一目的在于提出一種能提高LED亮度的低溫AlInN插入壘層氮化物發(fā)光二極管外延片。本專利技術(shù)外延片包括襯底、依次位于襯底上方的低溫氮化物緩沖層、非摻雜氮化物層、N型氮化物層、發(fā)光層、低溫氮化物層、電子阻擋層和P型氮化物層，其特征在于所述發(fā)光層從下至上依次包括量子壘層和量子阱層，量子壘層包括低溫AlInN插入壘層和GaN壘層，量子壘層和量子阱層周期交替設(shè)置，所述低溫AlInN插入壘層、GaN壘層和InGaN量子阱層的表面分別設(shè)置納米級(jí)坑洞結(jié)構(gòu)；在靠近N型氮化物層的至少一個(gè)量子壘層中設(shè)置低溫AlInN插入壘層，并在靠近N型氮化物層的第一個(gè)低溫AlInN插入壘層表面設(shè)置金屬反射層，低溫氮化物層設(shè)置于發(fā)光層之上，所述低溫氮化物層為非摻雜的低溫氮化物層。本專利技術(shù)的外延結(jié)構(gòu)在量子壘插入低溫AlInN壘層，通過(guò)納米級(jí)坑洞結(jié)構(gòu)，增大了發(fā)光層發(fā)光面積，同時(shí)利用量子點(diǎn)限制效應(yīng)降低QCSE(斯塔克效應(yīng))，改善In并入提升電子和空穴的復(fù)合效率，其次，靠近N型氮化物第一個(gè)發(fā)光層AlInN插入壘層設(shè)置金屬反射層可使發(fā)光層射向襯底的光線被反射提升正面出光；同時(shí)，低溫非摻雜氮化物層修復(fù)發(fā)光層表面，并起到空穴注入聚集和電流擴(kuò)展作用，提高載流子注入均勻性；再者，控制AlInN層與GaN晶格匹配，較AlGaN材料發(fā)光層極化效應(yīng)降低，同時(shí)可以限制電子溢出，降低大電流下效率驟降（efficiency droop）效應(yīng)。優(yōu)選地，本專利技術(shù)所述發(fā)光層從下到上依次包括低溫AlInN插入壘層、金屬反射層和周期交替設(shè)置的GaN壘層和InGaN量子阱層，所述周期數(shù)為2～10。所述低溫AlInN插入壘層的數(shù)目不超過(guò)量子壘層數(shù)目。GaN壘層中AlInN插入壘層一方面可以和GaN壘層晶格匹配，同時(shí)可以形成高的電子勢(shì)壘，降低電子逸出發(fā)光層，有利于降低efficiency droop效應(yīng)。本專利技術(shù)另一目的是提出以上具有低溫AlInN插入壘層的氮化物發(fā)光二極管外延片的生產(chǎn)工藝。在襯底的同一側(cè)依次生長(zhǎng)形成低溫氮化物緩沖層、非摻雜氮化物層、N型氮化物層、發(fā)光層、低溫氮化物層、電子阻擋層和P型氮化物層，其特點(diǎn)是：在生長(zhǎng)發(fā)光層和低溫氮化物層時(shí)包括以下步驟：1）在N型氮化物半導(dǎo)體層上生長(zhǎng)厚度為5～15nm的低溫AlInN插入壘層，通入TMIn源，在NH3和N2氛圍下退火；2）在H2氛圍下使低溫AlInN壘層表面分解形成納米級(jí)坑洞；3）在具有納米級(jí)坑洞的低溫AlInN插入壘層表面生長(zhǎng)厚度為1～10nm具有納米級(jí)坑洞的Al反射金屬層，并升溫同時(shí)通入TMIn源處理表面；4）在具有納米級(jí)坑洞的Al反射金屬層表面生長(zhǎng)厚度為2～15nm的具有納米級(jí)坑洞的GaN壘層；5）在具有納米級(jí)坑洞的GaN壘層表面生長(zhǎng)厚度為2～5nm的具有納米級(jí)坑洞的InGaN量子阱層；6）在具有納米級(jí)坑洞的InGaN量子阱層表面生長(zhǎng)具有納米級(jí)坑洞的GaN壘層，并周期性地循環(huán)依次生長(zhǎng)具有納米級(jí)坑洞的InGaN量子阱層和GaN壘層；所述周期數(shù)為2～10個(gè)；7）降溫至InGaN量子阱層的生長(zhǎng)溫度，生長(zhǎng)非摻雜的低溫InGaN氮化物層，厚度40～100nm。以步驟1）中生長(zhǎng)AlInN層通入TMIn源，在NH3和N2氛圍下退火，起到表面活性劑對(duì)表面進(jìn)行處理改善表面，使得H2氛圍下表面腐蝕坑洞更均勻分布。以步驟3）中升溫通入TMIn源，起到退火并對(duì)金屬表面處理作用，金屬層分布更均勻。本專利技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、便于工業(yè)化生產(chǎn)。所述步驟6）中周期數(shù)為8。量子阱周期數(shù)一般在10個(gè)以內(nèi)，根據(jù)工藝不同數(shù)目有差異。所述低溫AlInN插入壘層的厚度為10nm，在Al反射金屬層表面生長(zhǎng)的GaN壘層的厚度為5nm，在步驟6）的循環(huán)周期內(nèi)生長(zhǎng)的各GaN壘層厚度為15nm。目前LED工藝現(xiàn)狀GaN壘層厚度13nm左右，根據(jù)工藝不同數(shù)目有差異。所述各量子阱InGaN的厚度為3nm。所述金屬反射層的厚度為2nm，金屬反射層為層狀或者點(diǎn)狀。該工藝中設(shè)計(jì)意圖在于存在Al金屬層，因?yàn)樯L(zhǎng)時(shí)間短僅為一層薄層，通過(guò)通入TMAl源時(shí)間和退火工藝優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)Al反射層狀態(tài)。附圖說(shuō)明圖 1為本專利技術(shù)氮化物發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本專利技術(shù)設(shè)置金屬反射層的發(fā)光層結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，10-襯底，11-低溫氮化物緩沖層，12-非摻雜氮化物層，13-N型氮化物層，14-發(fā)光層，15-低溫氮化物層、16-電子阻擋層，17-P型氮化物層，18-納米坑洞結(jié)構(gòu)。14-1-低溫AlInN插入壘層，14-2-GaN壘層，14-3-InGaN量子阱層，14-4-金屬反射層。具體實(shí)施方式一、制備工藝：實(shí)施例一：在襯底10（如藍(lán)寶石）的同一側(cè)依次生長(zhǎng)低溫緩沖層11（厚度為20～50nm的非摻雜GaN或AlN）、非摻雜氮化物層12（厚度是1～3μm的非摻雜GaN）、N型氮化物半導(dǎo)體層13（厚度為1～3μm摻Si的nGaN層，Si的摻雜濃度是5×1017 cm-3～2×1019cm-3）、發(fā)光層14、低溫氮化物層15（非摻雜InGaN層，厚度為40～100nm，優(yōu)選60nm）、電子阻擋層16（厚度為15～25nm的AlGaN層）和P型氮化物層17（厚度為50～200nm，摻Mg的pGaN，Mg摻雜濃度為1×1019 cm-3～5×1020cm-3）。其中，在生長(zhǎng)發(fā)光層14和低溫氮化物層15時(shí)，選用TEG、TMAl、TMIn和NH3分別作為Ga源、Al源、In源和N源供應(yīng)進(jìn)行以下操作：1、在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)，通入TEG、TMIn、NH3和N2混合氣體源，在N型氮化物半導(dǎo)體層13上生長(zhǎng)低溫AlInN插入壘層14-1，生長(zhǎng)厚度為5～15nm，優(yōu)選10nm，關(guān)閉TEG、TMAl，通入TMIn源，保留NH3和N2同時(shí)退火。2、關(guān)閉NH3和N2，通入H2，使得低溫AlInN層14-1表面分解并腐蝕出納米級(jí)坑洞18，形成具有納米級(jí)坑洞的低溫AlInN插入壘層14-1。3、關(guān)閉H2，通入TMAl源，在具有納米級(jí)坑洞的低溫AlInN插入壘層14-1表面形成具有納米級(jí)坑洞的Al反射金屬層14-4，優(yōu)化通入時(shí)間10～50s，優(yōu)選15s。形成的金屬反射層14-4厚度為1～10nm，優(yōu)選2nm，可為層狀或者點(diǎn)狀。4、關(guān)閉TMAl源，通入TMIn源處理Al反射金屬層14-4，同時(shí)升溫至GaN壘層14-2所需生長(zhǎng)溫度。5、關(guān)閉TMIn源，同時(shí)通入TEG、NH3和N2，在具有納米級(jí)坑洞的Al反射金屬層14-4上生長(zhǎng)具有納米級(jí)坑洞的GaN壘層14-2，厚度2～10nm，優(yōu)選5nm。6、降溫至InGaN量子阱層14-3生長(zhǎng)溫度，打開TEG源和TMIn源，在具有納米級(jí)坑洞的本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
具有低溫AlInN插入壘層的氮化物發(fā)光二極管外延片，包括襯底、依次位于襯底上方的低溫氮化物緩沖層、非摻雜氮化物層、N型氮化物層、發(fā)光層、低溫氮化物層、電子阻擋層和P型氮化物層，其特征在于所述發(fā)光層從下至上依次包括量子壘層和量子阱層，量子壘層包括低溫AlInN插入壘層和GaN壘層，量子壘層和量子阱層周期交替設(shè)置，所述低溫AlInN插入壘層、GaN壘層和InGaN量子阱層的表面分別設(shè)置納米級(jí)坑洞結(jié)構(gòu)；在靠近N型氮化物層的至少一個(gè)量子壘層中設(shè)置低溫AlInN插入壘層，并在靠近N型氮化物層的第一個(gè)低溫AlInN插入壘層表面設(shè)置金屬反射層，低溫氮化物層設(shè)置于發(fā)光層之上，所述低溫氮化物層為非摻雜的低溫氮化物層。

【技術(shù)特征摘要】
1. 具有低溫AlInN插入壘層的氮化物發(fā)光二極管外延片，包括襯底、依次位于襯底上方的低溫氮化物緩沖層、非摻雜氮化物層、N型氮化物層、發(fā)光層、低溫氮化物層、電子阻擋層和P型氮化物層，其特征在于所述發(fā)光層從下至上依次包括量子壘層和量子阱層，量子壘層包括低溫AlInN插入壘層和GaN壘層，量子壘層和量子阱層周期交替設(shè)置，所述低溫AlInN插入壘層、GaN壘層和InGaN量子阱層的表面分別設(shè)置納米級(jí)坑洞結(jié)構(gòu)；在靠近N型氮化物層的至少一個(gè)量子壘層中設(shè)置低溫AlInN插入壘層，并在靠近N型氮化物層的第一個(gè)低溫AlInN插入壘層表面設(shè)置金屬反射層，低溫氮化物層設(shè)置于發(fā)光層之上，所述低溫氮化物層為非摻雜的低溫氮化物層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有低溫AlInN插入壘層的氮化物發(fā)光二極管外延片，其特征在于所述發(fā)光層從下到上依次包括低溫AlInN插入壘層、金屬反射層和周期交替設(shè)置的GaN壘層和InGaN量子阱層，所述周期數(shù)為2～10。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述具有低溫AlInN插入壘層的氮化物發(fā)光二極管外延片，其特征在于所述低溫AlInN插入壘層的數(shù)目不超過(guò)量子壘層數(shù)目。4.如權(quán)利要求1所述具有低溫AlInN插入壘層的氮化物發(fā)光二極管外延片的生產(chǎn)工藝，在襯底的同一側(cè)依次生長(zhǎng)形成低溫氮化物緩沖層、非摻雜氮化物層、N型氮化物層、發(fā)光層、低溫氮化物層、電子阻擋層和P型氮化物層，其特征在于在生長(zhǎng)發(fā)光層和低溫氮化物層時(shí)包括以下步驟：1）在N型氮化物半導(dǎo)體層上生長(zhǎng)厚度為5～15nm的低溫AlInN插入壘層，通入TMIn源，在NH3和N2氛圍下退火；2）在H2氛圍下使低溫AlInN插入壘層表...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：閆其昂，戴俊，王明洋，李志聰，孫一軍，王國(guó)宏，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：揚(yáng)州中科半導(dǎo)體照明有限公司，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32