一种氮化物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，特别是一种具有偏振光控制层的深紫外半导体发光二极管。

背景技术：

目前，氮化物半导体发光二极管（led）由于存在较高的发光效率、成本相对荧光灯具备优势、使用寿命长、无汞等重金属污染特质、波长连续可调、芯片尺寸小、节能环保等优点，在通用照明领域如室内照明、户外景观照明、led路灯、手机背光、电视背光、闪光灯、舞台灯、交通灯、汽车车灯等已取得广泛的应用，市场渗透率逐年提高，已逐渐取代传统的白炽灯和日光灯。高al组分的深紫外氮化物发光二极管led因p型掺杂困难、缺陷密度高、内量子效率低和光提取效率低等问题，外量子发光效率与蓝光发光二极管相比仍偏低非常多。引起深紫外氮化物发光二极管外量子效率低的一个重要的因素为光学各向异性。高al组分的氮化物半导体发光二极管的量子阱发光受能带结构影响，当al组分较低时，其价带的能带排序为gan型，价带顶位置由重空穴hh带和轻空穴lh带占据，发光以沿c轴出光的te偏振光为主。而当al组分超过临界值约0.5，深紫外氮化物半导体发光二极管的价带顶能带排序由gan型变为aln型，价带顶从重空穴hh和轻空穴lh带占据主导变成晶体场分裂能带ch占据主导，导致发出的光为侧向发射的tm偏振光占主导，正面出射的te偏振光减弱。且随着al组分上升，即深紫外led的波长变短，tm偏振光上升，而te偏振光逐渐下降，从而导致深紫外氮化物半导体发光二极管极低的光提取效率和外量子效率，且该效率随着波长进一步变短而出现更加严重的下降。申请号为cn201610263454的专利提出一种利用n-algan基dbr作为上下反射层形成谐振腔结构，通过谐振腔的反射率和波长控制来达到提升te偏振光，从而提升外量子效率的方法，说明通过改变反射的方法可以达到提升te偏振光的效果，但该方法并不能改变量子阱的价带顶能带排序，因此，无法根本地解决光学各向异性问题。申请号为201410470409.x的专利通过在有源层的量子阱制作充当势垒的高铝组分algan层和充当势阱的aln/gan超晶格，通过改变超晶格中aln/gan的厚度调节发光波长，改善发射光的空间分布，提升te偏振光。申请号为201610466965.9的专利采用在algan阱层中插入alingan薄层结构来调控重空穴带、轻空穴带和晶体场劈裂空穴带的相对位置，提高te模光而降低tm模光的比例，从而提升duvled的发光效率。虽然通过以上两个专利通过改变量子阱的结构可在一定程度上地调节量子阱的能带排序，改变te和tm偏振光的比例，但无法有效地起到偏振光转换的作用。

鉴于现有技术的难以解决氮化物半导体发光二极管的能带排序的光学各向异性和偏振光转换问题，因此有必要提出一种氮化物半导体发光二极管及其制作方法，通过偏振光转换结合量子阱的能带调控，提升光提取效率和外量子效率。

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，其特征在于：多量子阱的v-pits侧壁具有偏振光控制层，且该偏振光控制层由sinx/mgny或mgny/sinx的多周期超晶格核壳结构的量子点构成，所述核层由sinx或mgny的球状量子点构成，位于v-pits侧壁对应量子阱的阱层位置，其直径不超过阱层厚度，所述壳层由sinx和mgny形成的多周期超晶格构成，位于v-pits侧壁对应量子阱的垒层位置，其壳层厚度不超过垒层厚度的一半。通过在多量子阱的v-pits侧壁制作mgny/sinx的多周期超晶格核壳结构的量子点实现双重偏振光调制功能：1）sinx/mgny或mgny/sinx形成多重偏振光转换界面，使量子阱出射的tm偏振光在转换界面处转换为te偏振光；2）该偏振光控制层位于量子阱的v-pits侧壁，紧靠着量子阱的阱区有源层，调控量子阱的价带顶能带排序，使量子阱的价带顶能带排序从晶体场分裂能ch带占据价带顶第一子带位置变成重空穴hh带占据价带顶第一子带位置，提升te偏振光的出射比例，降低tm偏振光比例。从而，利用偏振光控制层提升深紫外半导体发光二极管的光提取效率和外量子效率。

根据本发明的第一方面，一种氮化物半导体发光二极管，依次包括衬底，n型氮化物半导体，多量子阱，v-pits，p型氮化物半导体，v-pits侧壁的偏振光控制层，所述多量子阱由阱层和垒层构成的量子结构，所述v-pits侧壁的偏振光控制层由sinx/mgny或mgny/sinx的多周期超晶格核壳结构的量子点构成，所述核层由sinx或mgny的球状量子点构成，位于v-pits侧壁对应量子阱的阱层位置，其直径不超过阱层厚度，所述壳层由sinx和mgny形成的多周期超晶格构成，位于v-pits侧壁对应量子阱的垒层位置，其壳层厚度不超过垒层厚度的一半。

进一步地，所述的v-pits侧壁的偏振光控制层由sinx/mgny或mgny/sinx形成的多周期超晶格量子点构成，其中周期数为m，其中m≥2，所述sinx和mgny的组分分别为x>0，y>0。

进一步地，所述多量子阱由阱层和垒层构成的量子结构，所述阱层的厚度为k，垒层的厚度为l，其中40埃米>k>5埃米，200埃米>l>40埃米，所述多量子阱的周期数为n，其中n≥3。

进一步地，所述的v-pits侧壁的偏振光控制层为sinx/mgny或mgny/sinx多周期超晶格核壳结构的量子点，当形成sinx/mgny多周期超晶格核壳结构的量子点，第一层为sinx球状量子点的核层时，位于v-pits侧壁对应于多量子阱的第1对量子阱后面的n-1对量子阱的阱层上面，直径为a，其中a≤k，即球状量子点的直径小于等于量子阱的阱层厚度；第二层开始的mgny和sinx形成多周期超晶格的壳层为mgny/sinx/mgny/sinx/…/mgny，总厚度为b，其中b≤l/2，即壳层的总厚度小于等于量子阱的垒层的一半厚度。

进一步地，所述v-pits侧壁的偏振光控制层的sinx/mgny或mgny/sinx多周期超晶格核壳结构的量子点，当形成mgny/sinx多周期超晶格核壳结构的量子点，第一层为mgny球状量子点的核层时，位于v-pits侧壁对应于多量子阱的第1对量子阱后面的n-1对量子阱的阱层上面，直径为a，其中a≤k，即球状量子点的直径小于等于量子阱的阱层厚度；第二层开始的sinx和mgny形成多周期超晶格的壳层为sinx/mgny/sinx/mgny/…/sinx，总厚度为b，其中b≤l/2，即壳层的总厚度小于等于量子阱的垒层的一半厚度。

进一步地，所述多量子阱为高al组分的alzga1-zn的阱层和垒层构成，阱垒的al组分1>z>0.4，且垒层的al组分高于阱的al组分；所述n型氮化物半导体和p型氮化物亦为高al组分的alrga1-rn，al组分1>r>0.4，且其al组分r大于量子阱的al组分z。

根据本发明的第二方面，一种氮化物半导体发光二极管的制作方法，包含以下步骤：

步骤1）采用mocvd金属有机化学气相沉积设备在衬底上依次外延n型氮化物半导体和具有v-pits的多量子阱，所述多量子阱由阱层和垒层构成的量子结构。

步骤2）采用mocvd的脉冲h2高低压蚀刻方法，在生成具有v-pits的多量子阱表面将反应室温度升至900-1100摄氏度，反应室的气氛由n2和nh3切换为纯h2的气氛，然后，脉冲方式通入h2，控制反应室的压强上升至500torr，量子阱蚀刻时间为10-100s，关闭h2，控制反应室的压强下降至100torr，量子阱界面处理时间为10-100s，以上步骤重复进行，直至将v-pits侧壁的阱层蚀刻出半球状的预沉积坑。

步骤3）在v-pits侧壁的阱层蚀刻出半球状的预沉积坑上，将反应室的气氛切换为n2，压强降至200torr，温度下降至700-900摄氏度，并通入sih4或cp2mg，在预沉积坑上形成si纳米点或mg纳米点。

步骤4）反应室的气氛切换为nh3和n2混合气体，压强下降至100torr，温度上升至900-1100摄氏度，将v-pits侧壁的阱层的预沉积坑上的si纳米点或mg纳米点氮化形成sinx或mgnx，持续通过nh3并通入sih4或cp2mg，使sinx或mgnx球状量子点逐渐变大并填充满预沉积坑，形成球状量子点的核层，该核层位于v-pits侧壁对应于多量子阱的第1对量子阱后面的n-1对量子阱的阱层上面，直径为a，其中a≤k，即球状量子点的核层的直径小于等于量子阱的阱层厚度。

步骤5）保持反应室的气氛为nh3和n2混合气体，压强为100torr，温度为900-1100摄氏度，通过切换sih4或cp2mg，在sinx或mgnx球状量子点的核层上沉积sinx和mgny的多周期超晶格的壳层，所述壳层的总厚度为b，其中a≤l/2，即壳层的总厚度小于等于量子阱的垒层的一半厚度。

步骤6）在mocvd上通过iii族有机源和v族气体，继续外延生长p型氮化物半导体，制作成氮化物半导体发光二极管的外延片。

附图说明

图1为步骤1）生长完具有v-pits的多量子阱的氮化物发光二极管的结构示意图。

图2为步骤2）将v-pits侧壁的阱层蚀刻出半球状的预沉积坑的示意图。

图3为步骤3）在v-pits侧壁的阱层蚀刻出的半球状的预沉积坑上形成si纳米点或mg纳米点的示意图。

图4为步骤4）在v-pits侧壁的阱层蚀刻出的预沉积坑上制作球状量子点的核层示意图。

图5为步骤5）在sinx或mgnx球状量子点的核层上沉积sinx和mgny的多周期超晶格的壳层的示意图。

图6为步骤6）继续外延生长p型氮化物半导体，制作成氮化物半导体发光二极管的外延片的示意图。

图7为本发明的氮化物半导体发光二极管的双重偏振光调制功能的效果示意图。

图8为本发明的偏振光控制层由sinx/mgny或mgny/sinx的多周期超晶格核壳结构的量子点构成的核层和壳层的结构示意图。

图示说明：100：衬底；101：n型氮化物半导体，102：多量子阱，102a:阱层，102b：垒层，103：v-pits，104a：v-pits侧壁的阱层蚀刻出半球状的预沉积坑，104b：si纳米点或mg纳米点，105：sinx或mgnx球状量子点的核层，106：sinx和mgny的多周期超晶格的壳层，107：偏振光控制层，108：p型氮化物半导体。

具体实施方式

实施例1

本实施例提出一种氮化物半导体发光二极管，如图6所示，依次包括衬底100，n型氮化物半导体101，多量子阱102，多量子阱的阱层102a，多量子阱的垒层102b，v-pits103，v-pits侧壁的阱层蚀刻出半球状的预沉积坑104a，si纳米点或mg纳米点104b，sinx或mgnx球状量子点的核层105，sinx和mgny的多周期超晶格的壳层106、v-pits侧壁的偏振光控制层107和p型氮化物半导体108。所述的v-pits侧壁具有偏振光控制层，其特征在于多量子的v-pits103侧壁的偏振光控制层107由sinx/mgny或mgny/sinx形成的多周期超晶格核壳结构的量子点构成，其中核层为sinx或mgnx球状量子点105，壳层为sinx和mgny的多周期超晶格106，该偏振光控制层具有双重偏振光调制功能：首先，sinx/mgny或mgny/sinx形成多重偏振光转换界面，使tm偏振光在界面处转换为te偏振光；其次，该偏振光控制层调控量子阱的价带顶能带排序，使量子阱的价带顶能带排序从晶体场分裂能ch带占据价带顶第一子带位置变成重空穴hh带占据价带顶第一子带位置，提升te偏振光的出射比例，降低tm偏振光比例，从而，提升深紫外半导体发光二极管的光提取效率和外量子效率，如图7所示。

所述多量子阱由阱层102a和垒层102b构成的量子结构，所述阱层102a的厚度为k，垒层102b的厚度为l，其中40埃米>k>5埃米，200埃米>l>40埃米，所述多量子阱的周期数为n，其中n≥3。

所述的v-pits103侧壁的偏振光控制层107由sinx/mgny或mgny/sinx形成的多周期超晶格量子点构成，其中周期数为m，其中m≥2，所述sinx和mgny的组分分别为x>0，y>0。

所述v-pits103侧壁的偏振光控制层107由sinx/mgny或mgny/sinx的多周期超晶格核壳结构的量子点构成，所述核层105由sinx或mgny的球状量子点构成，位于v-pits103侧壁对应量子阱的阱层102a位置，其直径不超过阱层102a厚度，所述壳层106由sinx和mgny形成的多周期超晶格构成，位于v-pits侧壁对应量子阱的垒层102b位置，其壳层厚度不超过垒层102b厚度的一半。

所述的v-pits103侧壁的偏振光控制层107为sinx/mgny或mgny/sinx多周期超晶格核壳结构的量子点，当形成sinx/mgny多周期超晶格核壳结构的量子点，第一层为sinx球状量子点的核层105时，位于v-pits103侧壁对应于多量子阱102的第1对量子阱后面的n-1对量子阱的阱层102a上面，直径为a，其中a≤k，即球状量子点的核层105的直径小于等于量子阱的阱层102a厚度；第二层开始的mgny和sinx形成多周期超晶格的壳层106的总厚度为b，其中b≤l/2，即壳层106的总厚度小于等于量子阱的垒层102b的一半厚度。

所述v-pits103侧壁的偏振光控制层的sinx/mgny或mgny/sinx，当形成mgny/sinx多周期超晶格核壳结构的量子点，第一层为mgny球状量子点的核层105时，位于v-pits103侧壁对应于多量子阱102的第1对量子阱后面的n-1对量子阱的阱层102a上面，直径为a，其中a≤k，即球状量子点的核层105的直径小于等于量子阱的阱层102a厚度；第二层开始的sinx和mgny形成多周期超晶格的壳层106的总厚度为b，其中b≤l/2，即壳层106的总厚度小于等于量子阱的垒层的一半厚度。

所述多量子阱为高al组分的alzga1-zn的阱层102a和垒层102b构成，阱垒的al组分1>z>0.4，且垒层的al组分高于阱的al组分；所述n型氮化物半导体101和p型氮化物108亦为高al组分的alrga1-rn，al组分1>r>0.4，且其al组分r大于量子阱的al组分z。

一种氮化物半导体发光二极管的制作方法，包含以下步骤：

步骤1）采用mocvd金属有机化学气相沉积设备在衬底100上依次外延n型氮化物半导体101和具有v-pits103的多量子阱102，所述多量子阱102由阱层102a和垒层102b构成的量子结构，如图1所示。

步骤2）采用mocvd的脉冲h2高低压蚀刻方法，在生成具有v-pits103的多量子阱102表面将反应室温度升至900-1100摄氏度，反应室的气氛由n2和nh3切换为纯h2的气氛，然后，脉冲方式通入h2，控制反应室的压强上升至500torr，量子阱蚀刻时间为10-100s，关闭h2，控制反应室的压强下降至100torr，量子阱界面处理时间为10-100s，以上步骤重复进行，直至将v-pits侧壁的阱层蚀刻出半球状的预沉积坑104a，如图2所示。

步骤3）在v-pits103侧壁的阱层102a蚀刻出半球状的预沉积坑104a上，将反应室的气氛切换为n2，压强降至200torr，温度下降至700-900摄氏度，并通入sih4或cp2mg，在预沉积坑上形成si纳米点或mg纳米点104b，如图3所示。

步骤4）反应室的气氛切换为nh3和n2混合气体，压强下降至100torr，温度上升至900-1100摄氏度，将v-pits103侧壁的阱层的预沉积坑上的si纳米点或mg纳米点104b氮化形成sinx或mgnx，持续通过nh3并通入sih4或cp2mg，使sinx或mgnx球状量子点逐渐变大并填充满预沉积坑，形成球状量子点的核层105，该核层105位于v-pits103侧壁对应于多量子阱102的第1对量子阱后面的n-1对量子阱的阱层102a上面，直径为a，其中a≤k，即球状量子点的核层105的直径小于等于量子阱的阱层102a的厚度，如图4所示。

步骤5）保持反应室的气氛为nh3和n2混合气体，压强为100torr，温度为900-1100摄氏度，通过切换sih4或cp2mg，在sinx或mgnx球状量子点的核层105上沉积sinx和mgny的多周期超晶格的壳层106，所述壳层106的总厚度为b，其中a≤l/2，即壳层106的总厚度小于等于量子阱的垒层102b的一半厚度。所述sinx或mgnx球状量子点的核层105与sinx和mgny的多周期超晶格的壳层106构成v-pits侧壁的偏振光控制层107，即sinx/mgny或mgny/sinx形成的多周期超晶格核壳结构的量子点，如图5所示。

步骤6）在mocvd上通过iii族有机源和v族气体，继续外延生长p型氮化物半导体108，制作成氮化物半导体发光二极管的外延片，如图6所示。

实施例2

与实施例1不同的是，当球状量子点的核层为sinx时，所述的sinx和mgny的多周期超晶格的壳层106可以形成mgny/sinx/mgny/sinx/…/mgny，周期数为为m，其中m≥2，如图8所示。

实施例3

与实施例1不同的是，当球状量子点的核层为mgny时，所述的sinx和mgny的多周期超晶格的壳层106可以形成sinx/mgny/sinx/mgny/…/sinx，周期数为为m，其中m≥2，如图8所示。

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。