一种发光二极管的外延结构及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电器件领域，特别是一种发光二极管的外延结构及其制作方法。
【背景技术】
[0002]现今，发光二极管(LED)在一般照明方面提供其应用。但是由于内量子效率(IQE)低，导致LED的流明效率较低，尚不能在照明方面获得适当的市场份额。为了推动白光LED的市场化进程，大幅提升LED的流明效率是迫在眉睫的工作。已经尝试了各种途径来提高IQE,但是要实现该目标还有很长的路。
[0003]鉴于现有技术中存在LED的流明效率还是较低的问题。因此有必要提出一种新的一种发光二极管的外延结构及其制作方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是:提供一种发光二极管的外延结构及其制作方法，采用量子点作为发光层多量子阱结构(MQW)的量子阱层，利用量子点的量子限制效应，可有效提升电子和空穴的复合效率；同时，在量子皇层与量子阱层之间设置纳米级金属反射层，可使MQW向下发出的光立即被反射至外延结构正面；此外，纳米级金属反射层可形成表面等离子体(suface plasmon)，进一步提升出光效率。
[0005]根据本发明的第一个方面，一种发光二极管的外延结构，包括:在衬底上依次设置有第一导电类型半导体层、发光层多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其特征在于:所述发光层多量子阱结构从下至上依次包括:具有纳米级凹坑的第一量子皇层、形成于凹坑表面的纳米级金属反射层、形成于金属反射层表面的量子点作为量子阱层，以及覆盖于所述第一量子皇层、金属反射层和量子点之上的第二量子皇层。
[0006]根据本发明的第二个方面，一种发光二极管的外延结构，包括:在衬底上依次设置有第一导电类型半导体层、发光层多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其特征在于:所述发光层多量子阱结构从下至上依次包括:具有纳米级凹坑的第一量子皇层、填充于凹坑的量子点作为量子阱层、形成于量子点表面的纳米级金属反射层，以及覆盖于所述第一量子皇层、金属反射层和量子点之上的第二量子皇层。
[0007]进一步地，所述纳米级金属反射层为层状或散点状。
[0008]进一步地，所述金属反射层材料为Ag或Al或其组合。
[0009]进一步地，所述纳米级凹坑呈周期性均匀分布。
[0010]进一步地，所述第一、第二导电类型半导体为A1N、GaN, AlxGa1^xN, AlxIn1^xN,InyGahyN 或(AlxGa1J ^InyN 等单层或多层结构，其中 0〈x〈l，0〈y〈l。
[0011]根据本发明的第三个方面，一种发光二极管的外延结构的制备方法，包括步骤:提供一衬底；在所述衬底上依次外延生长第一导电类型半导体层、发光层多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其特征在于:所述发光层多量子阱结构通过以下步骤形成: 在所述第一导电类型半导体层上外延生长第一量子皇层；
在所述第一量子皇层上腐蚀形成纳米级凹坑；
在所述纳米级凹坑表面填充纳米级金属反射层；
在所述纳米级金属反射层表面上外延生长量子点，作为量子阱层；
以及外延生长第二量子皇层，覆盖于所述第一量子皇层、金属反射层和量子点之上。
[0012]根据本发明的第四个方面，一种发光二极管的外延结构的制备方法，包括步骤:提供一衬底；在所述衬底上依次外延生长第一导电类型半导体层、发光层多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其特征在于:所述发光层多量子阱结构通过以下步骤形成:
在所述第一导电类型半导体层上外延生长第一量子皇层；
在所述第一量子皇层上腐蚀形成纳米级凹坑；
在所述凹坑填充量子点，作为量子阱层；
在所述量子点表面形成纳米级金属反射层；
以及外延生长第二量子皇层，覆盖于所述第一量子皇层、金属反射层和量子点之上。
[0013]进一步地，所述第一量子皇层的形成方式为:通入TEGa、NH#P N 2混合气体源进行外延生长获得，生长温度为750~900°C，优选850°C，压力为50~500Torr，优选200Torr，厚度为 l~50nm，优选 10nm。
[0014]进一步地，所述第一量子皇层的纳米级凹坑的形成方式为:升温至1000~1200°C，关闭TEGa、NH#P N 2气体源，通入H 2，使得所述第一量子皇层的表面分解并腐蚀形成纳米级凹坑。
[0015]进一步地，所述纳米级金属反射层的形成方式为:生长温度控制在700~900°C，优选850°C，关闭H2、N#P NH3，通入TMAl源，并通过退火处理使所述金属反射层完全覆盖所述纳米级凹坑，所述金属反射层的厚度为l~10nm，优选2nm。
[0016]进一步地，所述量子点的形成方式为:生长温度控制在750°C以下，关闭TMAl源，通入N2、NH#P TEGa、TMIn源，在所述纳米级金属反射层表面上外延生长获得。
[0017]进一步地，所述第二量子皇层的形成方式为:先通入TEGa源，NHjPN2，控制生长方向沿三维生长，生长方法温度范围为750~900 0C，优选750 °C，压力为200~500Torr，优选300Torr，生长时间为1~5分钟，优选I分钟；再将压力控制住50~300Torr，优选200Torr，生长方法温度范围为800~950°C，优选850°C，控制生长方向沿二维生长，依靠侧向外延覆盖于所述第一量子皇层、金属反射层和量子点之上，将所述量子点完全填平。
[0018]进一步地，所述第一、第二导电类型半导体为A1N、GaN, AlxGa1^xN, AlxIn1^xN,InyGahyN 或(AlxGa1J ^InyN 等单层或多层结构，其中 0〈x〈l，0〈y〈l。
[0019]另外，前述外延生长方式包括但不限于MOCVD方法、MBE方法和HVPE方法等外延生长方式。
【附图说明】
[0020]图1为实施例1的发光二极管的外延结构示意图。
[0021]图2为图1所示发光层多量子阱结构的放大图。
[0022]图3为图2所示发光层多量子阱结构对应的各气体源流量示意图。
[0023]图4为实施例2的外延结构发光层多量子阱结构的放大图。
[0024]图5为实施例3的外延结构发光层多量子阱结构的放大图。
[0025]图示说明:101:衬底；102:缓冲层；103:N-GaN层；104a:具有纳米级凹坑的第一GaN量子皇层；104b:金属反射层；104c JnGaN量子点(量子阱层)；104d:第二 GaN量子皇层；105 !P-AlGaN电子阻挡层；106:P-GaN层；107 !P-1nGaN高掺杂的P型接触层。
【具体实施方式】
[0026]实施例1
本实施例提出的发光二极管的外延结构示意图见附图1。由图1可知，发光二极管的外延结构，包括:最底层为衬底101，衬底材料选用蓝宝石；位于衬底101之上的AlN缓冲层102 ;在AlN缓冲层102上依次设置有第一导电类型半导体层、发光层多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其中第一导电类型半导体层为N型半导体层，第二导电类型半导体层为P型半导体层，N型半导体层的材料可以采用N型Α1Ν、6&Ν、Α1χ6&1_χΝ、Α1χΙηι_χΝ、InyGa1^yN或(AlxGa1J ^yInyN等单层或多层结构，其中0〈x〈l，0〈y〈l，本实施例优选第一导电类型半导体层为N-GaN单层结构，P型半导体层的材料可以采用P型A1N、GaN, AlxGa1^xN, AlxIn1^xN,InyGa1J或(AlxGa1J ^yInyN等单层或多层结构，其中0〈x〈I，0〈y〈I，本实施例优选第二导电类型半导体层为P-AlGaN电子阻挡层、P-GaN层和P-1nGaN高掺杂的P型接触层多层结构。
[0027]由图2可知，本实施例的发光层多量子阱结构从下至上依次包括:具有纳米级凹坑的第一量子皇层104a、形成于凹坑表面的纳米级层状金属反射层104b、形成于金属反射层104b表面的量子点104c作为量子阱层，以及覆盖于所述第一量子皇层104a、金属反射层104b和量子点104c之上的第二量子皇层104d。在本实施例优选量子皇层为GaN材料，量子阱层为InGaN材料；所述金属反射层材料为Ag或Al或其组合，在本实施例优选为Ag ；所述纳米级凹坑为随机分布或者规则分布，在本实施例优选为纳米级凹坑呈周期性均匀分布。
[0028]下面采用MOCVD外延生长方式对本发明做进一步说明。
[0029]如图1和2所不，提供一图形化衬底101，材料选用蓝宝石；
将衬底101置于MOCVD设备(图中未示出)，在所述衬底101上生长AlN缓冲层102 ；在所述缓冲层102上依次外延生长第一导电类型半导体层、发光层多量子阱结构和第二导电类型半导体层，其中所述发光层多量子阱结构通过以下步骤形成:
(1)在所述第一导电类型半导体层上外延生长第一量子皇层；
(2)在所述第一量子皇层上腐蚀形成纳米级凹坑；<