一种半导体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，尤其涉及氮化物半导体发光二极管及制作方法领域。

背景技术：

现今，发光二极管（LED），特别是氮化物半导体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。因氮化物半导体发光二极管的底层存在缺陷，导致生长量子阱时缺陷延伸会形成V形坑（V-pits）。V形坑的侧壁的势垒大于多量子阱的势垒，导致电子不易跃迁进入V形坑的缺陷非辐射复合中心，同时，V形坑侧壁可对多量子阱发出的光进行反射，改变发光角度，降低全反射角对出光影响，提升光提取效率，提升发光效率和发光强度。

具体的，传统的氮化物半导体发光二极管，因晶格失配和热失配在半导体生长过程中会形成缺陷，生长多量子阱时该位错会延伸形成V形坑（V-pits），如图1所示；因V形坑的侧壁的势垒大于多量子阱的势垒，导致电子不易跃迁进入V形坑的缺陷非辐射复合中心，同时，V形坑侧壁可对多量子阱发出的光进行反射，可改变发光角度，降低全反射角对出光影响，提升光提取效率，提升发光效率和发光强度。传统的多量子阱的V形坑开口向上，随着量子阱对数的增加，其V形坑的开口越大，但开口角度和形状难以控制，过大的开口会产生大量非辐射复合中心，引起亮度下降，最终难于控制的开口角度和形状会使得发光二极管的发光效率受到很大影响。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种半导体发光二极管及其制作方法，其公开的结构以及采用该制作方法制作的半导体发光二极管能够提升发光效率和发光强度。

为了达到上述目的，

本发明公开的一种半导体发光二极管采用以下技术方案予以实现：

一种的半导体发光二极管，包括衬底，缓冲层，第一导电型的第一半导体层，多量子阱具有V形坑的有源层，多周期的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点/GaN纳米柱，以及第二导电型的第二半导体层和接触层；有源层的量子阱下表面、中心、上表面对应的V形坑位置具有Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点，其每周期厚度与量子阱层厚度相同；量子阱的垒层对应V形坑位置具有GaN纳米柱，其每周期的厚度与垒层相同。多量子阱的V形坑具有多周期的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点/GaN纳米柱，其周期数与多量子阱相同；所述的AlN纳米柱的宽度保持不变，GaN纳米柱的宽度随周期变多而变大，从而与V形坑的形态相匹配且不与V形坑斜面接触，形成长短结合的GaN/AlN纳米柱。长短结合的AlN/GaN纳米柱提升量子阱光出射效率，并使位错线弯曲阻挡V形坑缺陷，降低非辐射复合；Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点使量子阱产生量子效应与表面等离激元共振耦合效应，提升量子阱的量子效率，从而提升半导体发光二极管的发光效率。

作为本发明的一种的半导体发光二极管的一种优选实施方式：多量子阱V形坑具有多周期的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点/GaN纳米柱，纳米柱与V形坑相匹配，且界面互不接触。

作为本发明的一种的半导体发光二极管的一种优选实施方式：所述有源层多量子阱的周期数与多周期的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点/GaN纳米柱的周期数相同，周期数x≥3，优选周期为8对。

作为本发明的一种的半导体发光二极管的一种优选实施方式：所述的有源层的量子阱和Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点的厚度相同，厚度为1.0～5.0nm，优选厚度为3.5nm。

作为本发明的一种的半导体发光二极管的一种优选实施方式：所述有源层的垒层和GaN纳米柱的厚度相同，厚度为5.0～20.0nm，优选厚度为10.0nm。

作为本发明的一种的半导体发光二极管的一种优选实施方式：所述Al量子点和Ga量子点的形状为球形、半球形、金字塔形、锥状等，大小约0.5～5.0nm，优选直径为1.0nm。

本发明还公开了任一上述的一种半导体发光二极管的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

1）在衬底上依次生长缓冲层、第一导电型的第一半导体层和具有V形坑多量子阱的第一有源层，形成第一模板；2）利用V形坑定位技术，定位V形坑在第一模板的位置，记录其坐标值；3）在第一模板表面沉积一层掩膜层，利用V形坑定位蚀刻技术，根据步骤2）的坐标将V形坑上方的掩膜层蚀刻，非V形坑的多量子阱区域保留掩膜层，形成第二模板；4）将第二模板放到反应室中，在低温600-900摄氏度，通入TMAl沉积Al，时间为T1，Al处于过饱和状态，然后，升至高温900-1200摄氏度，通入NH3进行半导体理，时间为T2，生长时间T1/T2≥2，从而使Al不能全部氮化，已氮化的Al生成AlN纳米柱，未氮化的Al生成Al量子点；然后，降至低温600-900摄氏度，通入TMGa沉积Ga，时间为T3，使Ga处于过饱和状态，然后，升至高温900-1200摄氏度，通入NH₃进行氮化处理，时间为T4，生长时间T3/T4≥2x（x为周期数量），使Ga不能完全氮化，已氮化的Ga生长成GaN纳米柱，未氮化的Ga生成Ga量子点，同时，使GaN纳米柱的宽度随周期的上升而增大。5）根据量子阱的周期数目按重复步骤4），生长多周期的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点/GaN纳米柱，与V形坑完全匹配且不与V形坑的斜面接触。6）在纳米柱填充V形坑的多量子阱上方依次外延生长第二导电型的第二半导体层和接触层，制作成半导体发光二极管的外延片。

作为本发明公开的一种半导体发光二极管的制作方法的一种优选实施方式：所述的V形坑定位技术采用原子力显微镜AFM测试第一模板的V形坑位置，记录其坐标；或采用阴极荧光Mapping技术，利用V形坑不发光而多量子阱区域发光的原理，定位V形位置，记录其坐标。

作为本发明公开的一种半导体发光二极管的制作方法的一种优选实施方式：所述的V形坑定位蚀刻技术采用ICP干法蚀刻，根据V形坑的坐标位置对其上方掩膜进行精确蚀刻。

作为本发明公开的一种半导体发光二极管的制作方法的一种优选实施方式：所述的掩膜层的材料为光刻胶、SiO₂、SiNx、PS球等掩膜材料。

本发明有益效果是：

本发明公开的一种半导体发光二极管及其制作方法提供了一种多量子阱V形坑具有多周期倒V形的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点/GaN纳米柱的半导体发光二极管及其制作方法，其包括衬底，缓冲层，第一导电型的第一半导体层，有源层的多量子阱V形坑具有多周期倒V形的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点/GaN纳米柱，以及第二导电型的第二半导体层和接触层。有源层的量子阱下表面、中心、上表面对应的V形坑位置分别具有Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点，垒层对应V形坑位置具有GaN纳米柱，第二导电型的第二半导体层和接触层。长短结合的AlN/GaN纳米柱提升量子阱光出射效率，并使位错线弯曲阻挡V形坑缺陷；Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点使量子阱产生量子效应与表面等离激元共振耦合效应，提升量子阱的量子效率，从而提升半导体发光二极管的发光效率。

附图说明

图1为传统具有V形坑多量子阱的半导体发光二极管的示意图；

图2为本发明的一种具体实施例的示意图；

图3为图2所示具体实施例的效果示意图。

附图标记说明：

100：衬底，101：缓冲层，102：第一导电型的第一半导体层，103：有源层的量子阱的垒层，104：有源层的量子阱的阱层，105：有源层的V形坑，106：Al量子点，107：AlN纳米柱，108：Ga量子点，109：GaN纳米柱，110：第二导电型的第二半导体层，111：第二导电型的接触层，112：量子效应与表面等离激元共振耦合效应。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

如图2～3所示，其示出了本发明的具体实施方式，如图所示，本发明公开的一种半导体发光二极管一种半导体发光二极管，包括衬底100、缓冲层101、第一导电型的第一半导体层102、具有V形坑多量子阱的有源层，多周期的Al量子点106、AlN纳米柱109、Ga量子点108、GaN纳米柱109，以及第二导电型的第二半导体层110和第二导电型的接触层111；

有源层的量子阱的阱层104下表面、中心、上表面对应的V形坑位置分别具有Al量子点、AlN纳米柱、Ga量子点，有源层的量子阱的垒层103对应V形坑位置具有GaN纳米柱，V形坑形成多周期的Al量子点、AlN纳米柱、Ga量子点、GaN纳米柱；

所述的AlN纳米柱的宽度保持不变，GaN纳米柱的宽度随周期变多而变大，从而与V形坑的形态相匹配且不与V形坑斜面接触，形成长短结合的GaN纳米柱、AlN纳米柱。

作为本发明公开的一种半导体发光二极管的优选实施例：多量子阱V形坑具有多周期的倒三角形的Al量子点、AlN纳米柱、Ga量子点、GaN纳米柱，纳米柱与V形坑相匹配，且界面互不接触。

作为本发明公开的一种半导体发光二极管的优选实施例：有源层多量子阱的周期数与多周期的Al量子点、AlN纳米柱、Ga量子点、GaN纳米柱的周期数相同，周期数x≥3。

作为本发明公开的一种半导体发光二极管的优选实施例：每周期的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点的厚度和每周期量子阱的阱层厚度相同（每周期的Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点是指一个AlN纳米柱及设置在该AlN纳米柱上下表面的Ga量子点和Al量子点），厚度为1.0～5.0nm；每周期的GaN纳米柱的厚度和有源层的垒层厚度相同，厚度为5.0～20.0nm。

作为本发明公开的一种半导体发光二极管的优选实施例：所述Al量子点和Ga量子点的形状为球形、半球形、金字塔形、锥状中的一种或多种，大小为0.5～5.0nm。本实施例所述的大小是指最宽位置的尺寸。

作为本发明公开的一种半导体发光二极管的制作方法的具体实施例，如图2所示，其包含如下步骤：

步骤1）：在MOCVD金属有机化学气相外延设备中，在衬底100上外延生长缓冲层101和第一导电类型的第一半导体层，该层为n型掺杂层，Si掺浓度为5E18～5E19cm^-3，外延生长传统的量子阱103和垒层104组成的多量子阱有源层，其周期数量为8对，量子阱的阱层厚度为3.5nm，垒层厚度为10.0nm；量子阱具有V形坑（V-shap pits） 105，形成第一模板；

步骤2）：利用V形坑定位技术，记录住每个V形坑的坐标位置。采用原子力显微镜AFM测试第一模板的V形坑位置，记录其坐标；或采用阴极荧光Mapping技术，利用V形坑不发光而多量子阱区域发光的原理，定位V形位置，记录其坐标；

步骤3）：采用蒸镀机台在在第一模板表面沉积一层SiO₂掩膜层，厚度为200nm；利用V形坑定位蚀刻技术，根据步骤2的V形坑坐标使用ICP干法蚀刻将V形坑上方的掩膜层蚀刻，非V形坑的多量子阱区域保留掩膜层，形成第二模板；

步骤4）：将第二模板放到反应室中，在低温750摄氏度，通入TMAl沉积Al，时间为T1=16s，Al处于过饱和状态，然后，升至高温1200摄氏度，通入NH₃进行半导体理，时间为T2=8s，生长时间T1/T2=2，从而使Al不能全部氮化，未氮化的Al生成Al量子点106和已氮化的Al生长成AlN纳米柱107，Al量子点106形态为球状，大小约1.0nm；AlN纳米柱107的厚度与量子阱的厚度相同，厚度为3.5nm；然后，降至低温750摄氏度，通入TMGa沉积Ga，时间为T3，Ga处于过饱和状态，然后，升至高温1100摄氏度，通入NH₃进行氮化处理，时间为T4，生长时间T3/T4>=2x（x为周期数量），例如：第一周期T3=8s，T4=4s，第二周期T3=16s，T4=4s，第三周期T3=24s，T4=4s，以此类推，从而使GaN纳米柱的宽度随周期的上升而增大，形成倒三角形的GaN纳米柱109和Ga量子点108总体分布形状，Ga量子点108的形状为球形，大小约1.0nm，GaN纳米柱109的高度与量子阱的垒层相同，约10.0nm。

步骤5）：根据量子阱的周期数目按重复步骤4），生长多周期倒V形的Al量子点106/AlN纳米柱107/Ga量子点108/GaN纳米柱109，与V形坑完全匹配且不与V形坑的斜面接触。

步骤6）：在纳米柱填充V形坑的多量子阱上方依次外延生长第二导电型的第二半导体层110和接触层111，制作成半导体发光二极管的外延片。

长短结合的AlN/GaN纳米柱提升量子阱光出射效率，并使位错线弯曲阻挡V形坑缺陷，降低非辐射复合；Al量子点/AlN纳米柱/Ga量子点使量子阱产生量子效应与表面等离激元共振耦合效应112，如图3所示，提升量子阱的量子效率，从而提升半导体发光二极管的发光效率。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，这些变化涉及本领域技术人员所熟知的相关技术，这些都落入本发明专利的保护范围。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。