一种氮化物发光二极管及其制作方法与流程

本发明涉及半导体光电器件领域，特别是一种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。III族氮化物发光二极管为单轴介质晶体，其波动方程存在两种不同的解，一种沿光轴传播的寻常光线，简称o光(Ordinary Light)，其电场E与光轴垂直E⊥c；另一种垂直光轴传播的非常光线，简称e光(Extraordinary)，其电场E与光轴平行E∥c。o光为电子从导带底至重空穴带和轻空穴带的跃迁，而e光为电子从导带底至晶体场分裂出的空穴带的跃迁。对于III族氮化物发光二极管，材料的发光主要为电子从导带底至价带顶的空穴跃迁复合，由于III族氮化物存在光学各向异性，平行于c轴的光不易出射。

氮化物发光二极管在电流流入的情况下，电子注入会使晶格膨胀，同时，热效应会使衬底和外延层的应力发生改变，从而使其受到的压应力变小（参考文献：Scientific Reports, 5:17227; DOI: 10.1038/srep17227）。随着注入电流的上升，压应力逐渐降至零，并变为张应力，并伴随着发光效率的急剧下降。为了获得较高的发光效率，改善Efficiency Droop效应，有必要提升在注入条件下氮化物发光二极管的压应力。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种氮化物发光二极管及其制作方法，在P型氮化物和N型氮化物中插入应力控制层/反射层/电磁场发生层的复合结构，在电流通过电磁场发生层时，因电磁感应产生磁场，控制应力控制层产生应力，从而调控多量子阱受的应力类型和大小，提高发光二极管的o光比例和量子阱的载流子跃迁复合效率，提升发光效率和改善efficiency droop效应。

根据本发明的第一方面：一种氮化物发光二极管，依次包括衬底，缓冲层，N型氮化物，多量子阱以及P型氮化物，其特征在于：在所述P型氮化物和N型氮化物中插入应力控制层/反射层/电磁场发生层组成的复合结构。

反射层用于防止电磁场发生层和应力控制层材料吸收多量子阱发出的光，当电流流经电磁场发生层时引起电磁感应效应，产生磁场；磁场控制应力控制层产生应力，从而调控多量子阱受的应力类型和大小，提高发光二极管的o光比例和量子阱的载流子跃迁复合效率，提升发光效率和改善efficiency droop效应。

进一步地，所述电磁场发生层随发光二极管的电流注入引起电磁感应产生磁场，该磁场的大小受电磁发生层的磁性材料和注入电流大小控制。

进一步地，所述P型氮化物和N型氮化物中插入应力控制层的位置一一对应，应力控制层材料为磁致弹性材料，受到磁场作用时，晶格常数会发生改变，从而产生张应力或压应力。

进一步地，所述应力控制层的厚度为10~900nm，优选500nm。

进一步地，所述反射层的材料为Al、DBR、ODR或以上三种的组合，优选DBR。

进一步地，所述电磁场发生层为磁性材料，包含Ni、Co、Mn、FeCo、Fe₃O₄、Cr₂O₃、Fe₂CrSi等单质或化合物的纳米球，大小为10~900nm，优选200nm。

根据本发明的第二方面：一种氮化物发光二极管的制作方法，包含以下步骤：

（1）在衬底上依次外延生长缓冲层，N型氮化物，形成第一外延片；

（2）将第一外延片取出反应室，在N型氮化物上蚀刻出第一沟道，然后依次沉积电磁场发生层，再沉积反射层和磁致弹性材料，形成第一模板；

（3）将第一模板重新放入MOCVD反应室，进行二次外延生长N型氮化物、多量子阱、P型氮化物，形成第二外延片；

（4）将第二外延片取出反应室，蚀刻出第二沟道，然后依次沉积应力控制层、反射层和电磁场发生层，该沟道与第一沟道的坐标一一对应，形成第二模板；

（5）将第二模板重新放入MOCVD反应室，进行三次外延生长P型氮化物，形成最终的第三外延片。

进一步地，所述第一沟道、第二沟道的深度为100~1000nm，长度为1~10μm，宽度为1~10μm 。

附图说明

图1为本发明实施例的氮化物发光二极管的示意图。

图2为本发明实施例的氮化物发光二极管与传统发光二极管在不同电流作用下的应力差异比较图。

图示说明：100：衬底，101：缓冲层，102：N型氮化物，103：电磁场发生层，104：反射层，105：应力控制层，106：多量子阱，107：P型层。

具体实施方式

本发明所提出的一种氮化物发光二极管，依次包括衬底100，缓冲层101，N型氮化物102，应力控制层103/反射层104/电磁场发生层105的复合结构，多量子阱106，P型氮化物107，在P型氮化物107和N型氮化物102中插入应力控制层/DBR/电磁场发生层的复合结构，反射层104用于防止电磁场发生层吸光，当电流流经电磁场发生层105时产生电磁感应效应，产生磁场；磁场控制应力控制层103产生应力，从而调控多量子阱受的应力类型和大小，提高发光二极管的o光比例和量子阱的载流子跃迁复合效率，提升发光效率和改善efficiency droop。

首先，在蓝宝石衬底100上依次外延生长衬底100，缓冲层101，N型氮化物102，形成第一外延片；然后，将第一外延片取出，在N型氮化物102上蚀刻出第一沟道，深度为1μm，长度为2μm，宽度为2μm，分别沉积200nmFeCo纳米球的电磁场发生层，再沉积DBR和500nm的磁致弹性材料，作为应力控制层103，形成第一模板；接着，将第一模板重新放入MOCVD反应室，进行二次外延，继续生长N型氮化物盖住应力控制层103/DBR反射率104/电磁场发生层105的复合结构，继续生长多量子阱106和P型氮化物107，形成第二外延片；然后，将第二外延片取出蚀刻出第二沟道，深度为1μm，长度为2μm，宽度为2μm，在沟道上依次沉积500nm的磁致弹性材料的应力控制层103、DBR反射层104和200nm粒径的FeCo纳米球的电磁场发生层105，形成第二模板；最后，将第二模板重新放入MOCVD反应室，进行三次外延继续生长P型氮化物107，盖住应力控制层103/DBR反射层104/电磁场发生层105的复合结构。

当电流流经电磁场发生层时，产生磁场，且磁场随着电流的上升而增强，控制磁致弹性材料产生压应力，以抵消因发光二极管结温上升和电流注入产生的压应力的减小，如图2所示；当注入电流小于300mA时，由电磁场产生的压应力小于发光二极管的压应力减少的幅度，发光二极管的多量子阱受到的压应力呈下降趋势；当注入电流超过300mA时，由电磁场产生的压应力大于发光二极管的压应力减少的幅度，发光二极管的多量子阱受到的压应力呈上升趋势。上升的压应力可以提高发光二极管的o光比例和量子阱的载流子跃迁复合效率，提升发光效率和改善efficiency droop。

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。