一种提升光效的红光RCLED外延片及其制备方法与流程

本发明涉及led，具体涉及一种提升光效的红光rcled外延片及其制备方法。

背景技术：

1、在红光led技术领域，传统器件在迈向微型化和集成化的过程中，普遍面临着发光效率低、光束发散角大、光谱稳定性差等关键瓶颈。尤其在应用于led全彩显示和短距离光通信等高端领域时，红光器件的低外量子效率（通常＜5%）成为制约其性能的核心问题之一。为了解决这些问题，谐振腔发光二极管（rcled）作为一种高性能替代方案正在迅速发展。但在高分辨率显示使用时需要更多的红光芯片，占用更多芯片面积，这导致成本的不断攀升。此外，在高端光通信、高精度传感与生物医学检测等对于谱线宽和小角度光强要求高的应用领域，当前市场中主流的红光rcled的性能依然较差。在现有技术中，常规红光rcled外延结构如图1所示，自下而上依次包括n型gaas衬底100，缓冲层101，n-dbr102，n型限制层103，发光有源层104，p型限制层105，p-dbr106，p型过渡层107，p型窗口层108，p型接触层109。其p-dbr与n-dbr之间形成的微腔结构可实现器件发光强度的增强，但是随着p-dbr个数的增加，会产生晶格失配和材料脆性等问题，导致外延晶体质量下降、光效降低及一系列可靠性问题。而p-dbr个数如果太少，又会导致谐振腔中反射效果不佳导致亮度不足。此外，在制备高光效率红光rcled的芯片工艺中，需要用到侧向氧化技术，而p-dbr结构中的alas和algaas材料在氧化炉中受湿法氧化的腐蚀速率影响极不稳定，这导致氧化孔径的大小不受控制，经常偏离尺寸要求，从而无法达到氧化限制提升电流注入的作用。

2、因此，开发一种能提升光效的红光rcled外延片，对于谱线宽和小角度光强要求高的应用领域具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种提升光效的红光rcled外延片及其制备方法，该红光rcled外延片发光效率高，稳定性和均匀性好，可适用于谱线宽和小角度光强要求高的应用领域。

2、本发明的第一目的是提供一种提升光效的红光rcled外延片，从n型gaas衬底开始由下往上依次生长缓冲层，n-dbr（n型布拉格反射层），n型限制层，发光有源层，p型限制层，单向透明导电反射镜层，二次缓冲层，原位氧化预置p-dbr层，p型过渡层，p型窗口层，p型接触层；

3、所述单向透明导电反射镜层为ito（氧化铟锡）和izo（氧化铟锌）周期性循环结构；

4、所述原位氧化预置p-dbr层为alas和al0.45ga0.55as周期性循环结构。

5、本发明以常规红光rcled为基础，在外延生长p-alinp限制层结束后，磁控溅射沉积ito/izo单向透明导电反射镜层，然后进行二次外延材料生长，不仅可改善常规工艺中p-dbr个数的增加导致的晶格失配和材料脆性等问题；而且通过引入ito/izo作为单向透明导电反射镜层，可以增强腔模对应波长的模式密度，抑制其他发散角对应的光强输出，提升集中法向光强的功率密度，从而可做到在少个数p-dbr的情况下，也能大幅度提高光效。

6、进一步的，所述单向透明导电反射镜层中，单层ito材料的厚度为80nm～100nm，方阻为10ω/sq～15ω/sq，透过率为97.5%～99.5%；单层izo材料的厚度为15nm～20nm，方阻为6ω/sq～8ω/sq，透过率为96%～99%。

7、进一步的，所述二次缓冲层的材料为al0.5ga0.5as材料，厚度为100nm～300nm，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3，采用cp2mg作为p型掺杂剂。

8、进一步的，所述原位氧化预置p-dbr层中，单层alas的厚度为40nm～45nm，单层al0.45ga0.55as的厚度为48nm～53nm，且alas层和al0.45ga0.55as层的掺杂浓度均为1×1018cm-3～3×1018cm-3，并均采用cp2mg作为p型掺杂剂。

9、本发明的第二目的是提供一种提升光效的红光rcled外延片的制备方法，包括以下步骤：利用mocvd（金属有机化学气相沉积）设备在n型gaas衬底上，依次生长缓冲层，n-dbr，n型限制层，发光有源层，p型限制层，单向透明导电反射镜层，二次缓冲层，原位氧化预置p-dbr层，p型过渡层，p型窗口层，p型接触层；其中，

10、所述单向透明导电反射镜层是在外延生长完p型限制层结束后，将外延片取出mocvd反应腔，并采用磁控溅射技术，在p型限制层上沉积ito/izo薄膜作为周期性循环结构而获得；本发明采用ito/izo单向透明导电反射镜层与二次外延生长的增强型谐振腔结构与工艺，可有效解决常规工艺中p-dbr（p型布拉格反射层）个数偏多导致材料晶体质量下降和个数偏少光效不足的问题，兼顾外延晶体质量的同时可提升器件的发光效率。

11、所述原位氧化预置p-dbr层采用原位氧化预置工艺获得。本发明将p-dbr材料在外延生长过程中进行提前原位氧化，有利于alas和algaas材料在后续芯片制备工艺中侧向氧化作业中的氧化孔径均匀控制，可提升器件工艺作业的稳定性和均匀性。

12、进一步的，所述单向透明导电反射镜层的制备工艺为：在生长完p型限制层后，将mocvd反应腔温度降低至110℃±5℃，然后压力调整至1000mbar±20mbar，打开反应腔，取出外延片，将外延片传入溅射真空室，采用磁控溅射技术，在一次外延生长结束后的外延p型限制层上，沉积制备周期性循环的ito/izo薄膜，循环对数为4对～6对。

13、进一步的，单层ito薄膜的厚度为80nm～100nm，方阻为10ω/sq～15ω/sq，透过率为97.5%～99.5%，溅射设定功率为450w～500w，通入氧气的流量为0.2sccm～0.5sccm；单层izo薄膜的厚度为15nm～20nm，方阻为6ω/sq～8ω/sq，透过率为96%～99%，溅射设定功率为500w～550w，通入氧气的流量为6sccm～10sccm。

14、进一步的，所述二次缓冲层的生长步骤为：将磁控溅射沉积单向透明导电反射镜层后的外延片重新传入mocvd反应腔，反应腔压力设定为50mbar±2mbar，设定反应腔温度为720℃±20℃，在单向透明导电反射镜层上，通入tmal、tmga、ash3材料，生长厚度为100nm～300nm的al0.5ga0.5as材料，掺杂浓度为1×1018cm-3～2×1018cm-3，采用cp2mg作为p型掺杂剂。

15、进一步的，所述原位氧化预置p-dbr层的生长步骤为：设定反应腔温度为710℃±10℃，在二次缓冲层上，通入tmal、ash3，生长厚度为40nm～45nm的alas材料，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，生长完alas材料后，停止al源材料tmal的通入，停顿时间为2s～5s，停顿期间通入高流量的ash3和高流量的ccl4，结束后恢复生长厚度为48nm～53nm的al0.45ga0.55as材料，掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1018cm-3，完成第一对p-dbr层的生长，继续重复循环9对～17对。本发明在alas和algaas层界面处，采用原位氧化预置工艺，即生长完alas材料后，停顿生长，通入高流量的ash3和高流量的ccl4，借助ash3裂解与ccl4分解反应，对alas和algaas表面层形成原位氧化处理，这样有助于后续芯片工艺进行侧面氧化延伸。该技术可有效确保在后续芯片制程中侧向氧化工艺作业时，每个位置的湿法氧化孔径大小相同，避免氧化孔径不均的情况，进而限制载流子的横向扩展，迫使载流子在有源区内复合。在氧化孔作用下，降低侧壁的非辐射复合、减少漏电流，提高载流子注入效率和利用效率，从而进一步提升光效。

16、进一步的，停顿期间，通入ash3的流量为500sccm～800sccm，通入ccl4的流量为20sccm～50sccm；所述原位氧化预置p-dbr层均采用cp2mg作为p型掺杂剂。

17、本发明与现有技术相比，其有益效果有：

18、1、本发明通过在常规红光rcled工艺中引入ito/izo单向透明导电反射镜层，之后进行二次外延生长，形成增强型谐振腔结构与工艺，有效解决了常规工艺中p-dbr个数偏多导致材料晶体质量下降和个数偏少光效不足的问题，提升了外延晶体质量和器件的发光效率。

19、2、本发明通过对制备p-dbr结构的工艺进行优化，引入原位氧化预置工艺，将p-dbr材料在外延生长过程中进行提前原位氧化，有利于alas和algaas材料在后续芯片制备工艺中侧向氧化作业中的氧化孔径均匀控制，不仅提升了器件工艺作业的稳定性和均匀性，还可降低侧壁的非辐射复合、减少漏电流，提高载流子注入效率和利用效率，从而进一步提升光效。