外延结构及发光器件的制作方法

1.本技术涉及半导体发光技术领域，尤其涉及一种外延结构及发光器件。


背景技术：

2.半导体发光的基本器件为led(light
‑
emitting diode，发光二极管)，因其具有节能、环保、寿命长和体积小等优点而越来越广泛地应用于各种显示、指示、背光源、普通照明等领域，对led的发光效率也提出了更高的要求。
3.影响led发光效率的主要因素是光提取效率，目前主要通过采用布拉格反射(distributed bragg reflection，分布式布拉格反射镜)结构减少衬底对光的吸收和全反射临界损失等，从而提高光提取效率。然而现有的布拉格反射结构设计存在材料本身吸光的问题，且对大倾角入射光的反射效率低下，导致led的光提取率不高。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种外延结构及发光器件，旨在解决led光提取效率低的问题。
5.本技术提供一种外延结构，包括：衬底和依次叠设于所述衬底上的复合布拉格反射结构、第一限制层、有源层和第二限制层；其中，所述复合布拉格反射结构包括周期性交替生长的低反射率半导体层和高反射率半导体层，且所述复合布拉格反射结构中与所述衬底和所述第一限制层接触的半导体层均为所述低反射率半导体层。
6.通过使复合布拉格反射结构为低反射率层和高反射率层周期性交替生长的复合结构，且最先生长和最后生长的半导体层均为低反射率半导体层，可以增大布拉格反射结构对有源层光线的反射率，减少大倾角入射光线的临界损失，以达到提高外延结构的光提取效率的目的。
7.一种实施方式中，所述低反射率半导体层包括砷化铝层，所述高反射率半导体层包括铝镓砷层。通过采用砷化铝层和铝镓砷层组合以构成复合布拉格反射结构，既达到了与衬底材料和有源层材料的晶格相匹配的目的，同时也满足了复合布拉格反射材料不能吸收波长范围为650～700nm的光线的要求。
8.一种实施方式中，所述铝镓砷层中铝的组分含量大于或等于46％。通过使所述高反射率半导体层中al的含量大于或等于46％，以使铝组分起始点处于直接带隙和间接带隙转折点附近，可以增大反射带宽，降低外延结构的吸光效应，从而提高外延结构的光提取效率。
9.一种实施方式中，所述复合布拉格反射结构满足以下关系式：d1＝λ/4n1；d2＝λ/4n2。其中，d1为所述低反射率半导体层的厚度，n1为所述低反射率半导体层的折射率，λ为所要反射的光的波长，d2为所述高反射率半导体层的厚度，n2为所述高反射率半导体层的折射率。由于不同厚度的复合布拉格反射结构对应不同的波长干涉相长，通过使低反射率半导体层和高反射率半导体层的厚度随反射光波长λ改变，且使不同厚度的低反射率半导体
层和高反射率半导体层合理分布，有利于减少所述复合布拉格反射结构对大角度入射光线的吸收，从而提高led对光线的提取率。
10.一种实施方式中，所述复合布拉格反射结构按其生长方向包括至少一级布拉格反射单元，其中，每级所述布拉格反射单元包括若干对周期性交叠生长的低反射率半导体层和高反射率半导体层。通过将复合布拉格反射结构30沿其生长方向划分为至少一级布拉格反射单元，且每级布拉格反射单元包括若干对周期性交叠生长的低反射率半导体层和高反射率半导体层，可实现对大角度入射的光线进行反射。
11.一种实施方式中，所述复合布拉格反射结构按其生长方向包括一初级布拉格反射单元和若干次级布拉格反射单元；其中，所述初级布拉格反射单元中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数大于各所述次级布拉格反射单元中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数。通过设置初级布拉格反射单元和次级布拉格反射单元相结合的复合布拉格反射结构，且使初级次级布拉格反射单元中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数小于初级布拉格反射单元中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数，可以增大对大倾角入射光线的反射率，增加光子反射量，以提高外延结构的光提取效率。
12.一种实施方式中，所述初级布拉格反射单元包括至少15对周期性交叠生长的低反射率半导体层和高反射率半导体层。由于初级布拉格反射单元为主反射层，通过包括至少15对周期性交叠生长的低反射率半导体层和高反射率半导体层周期性交叠，可以使复合拉格反射结构的反射率在90％以上，以使复合布拉格反射结构对垂直入射的光线保持较高的反射效率。
13.一种实施方式中，所述次级布拉格反射单元满足以下条件式：当1＜m≤3时，n2≥8，n3≥7；当4≤m≤6时，n2＝n3＝
…
＝nm＝3；其中，m为布拉格反射单元的级数，n2为第2级布拉格反射单元中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数，n3为第3级布拉格反射单元中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数，nm为第m级布拉格反射单元中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数。通过使次级布拉格反射单元中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数满足上述条件的结构设计，可以增大对大倾角入射光线的反射率，增加光子反射量，以提高外延结构的光提取效率。
14.一种实施方式中，各级所述布拉格反射单元之间的反射波长逐级递增。由于光线在不同层之间的波长不同，通过使各级所述布拉格反射单元之间的反射波长逐级递增，可以将有源层一定倾角范围内的入射光进行反射，增大光提取效率。通过使各级所述布拉格反射单元之间的反射波长逐级递增，可以将有源层一定倾角范围内的入射光进行反射，增大光提取效率。
15.基于同样的发明构思，本技术还提供一种发光器件，所述发光器件包括如上述任一项实施方式所述的外延结构。通过在发光器件中采用本技术提供的外延结构，提高了发光器件的发光效率。
附图说明
16.图1为一种实施例的外延结构示意图；
17.图2为一种实施例的复合布拉格反射层结构示意图；
18.图3为一种实施例的外延结构的制备流程图。
19.附图标记说明：
20.10
‑
衬底；
21.20
‑
缓冲层；
22.30
‑
复合布拉格反射层；31
‑
低反射率半导体层；32
‑
高反射率半导体层
23.40
‑
第一限制层；
24.50
‑
有源层；
25.60
‑
第二限制层；
26.70
‑
过渡层；
27.80
‑
窗口层。
具体实施方式
28.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的较佳实施方式。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本技术的公开内容理解的更加透彻全面。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。
30.半导体发光的基本器件为led，因其具有节能、环保、寿命长和体积小等优点而越来越广泛地应用于各种显示、指示、背光源、普通照明等领域，对led的发光效率也提出了更高的要求。
31.影响led发光效率的主要因素是光提取效率，目前主要通过采用布拉格反射结构减少衬底对光的吸收和全反射临界损失等，从而提高光提取效率。然而现有的布拉格反射结构设计存在材料本身吸光的问题，且对大倾角入射光的反射效率低下，导致led的光提取率不高。
32.基于此，本技术希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。
33.影响led发光效率和可靠性的一个重要结构即外延片，外延是半导体工艺中的一种，是指在一定条件下，使某物质的原子或分子有规则排列，定向生长在经过仔细加工的衬底表面上，得到一连续、平滑并与所述晶体有对应关系的单晶层，这个单晶层即为外延层，外延层与晶体形成的整体即外延片。目前常用的外延片制备方法有mocvd(metal
‑
organic chemical vapor deposition，有机金属化学气相沉淀)法和mbe(molecular beam epitaxy，分子束外延)法等。
34.请参考图1和图2，本技术实施例提供一种外延结构，包括：衬底10和依次叠设于衬底10上的复合布拉格反射结构、第一限制层40、有源层50和第二限制层60。针对不同的衬底材料，需要不同的外延结构生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线，常用的衬底材料有gaas、al2o3、sic等。其中，gaas半导体包括n型gaas半导体和p型gaas半导体，本实施例的衬底10采用n型gaas半导体，即n_gaas，以使外延
片适用于红光led芯片和近距离传输。可以理解的是，其他实施例中也可以根据目标波长的不同，如红绿光等选用其他衬底材料，此处不作过多限定。n_gaas衬底10可采用直拉法、区熔法、定向凝固法、水热法等制备。此外，第一限制层40可例如为n_alinp，有源层50可例如采用mqw(multiple quantum well，多量子阱)结构，而该mqw结构可例如通过algainp量子阱层和algainp量子垒层周期性交叠而成，第二限制层60可例如为p_alinp，特别地，本技术实施例还包括缓冲层20，过渡层70和窗口层80，其中，缓冲层20设置于衬底10与复合布拉格反射结构30之间，采用gaas在衬底10上沉积而成，用于降低衬底10及复合布拉格反射结构30之间的位错密度，改善外延结构的层间均匀性，提高led发光效率。过渡层70采用algainp沉积而成，用于温度过渡及吸收晶体缺陷等。窗口层80采用gap沉积而成，起到电流扩展或扩散的作用。
35.本实施例中，复合布拉格反射结构30包括交替生长而形成的低反射率半导体层31和高反射率半导体层32，且复合布拉格反射结构30中与衬底10和第一限制层40接触的半导体层均为低反射率半导体层31。可以理解的是，由于本技术实施例中衬底10为gaas材料，因此在生长完gaas缓冲层20后，复合布拉格反射结构30开始生长材料。由于第一限制层40所用的al
0.5
in
0.5
p材料的折射率约为3.22，比低反射率半导体层31的折射率高，因此可以起到反射加强的作用。此外，低反射率半导体层31和高反射率半导体层32均掺杂有si元素，可以提高载流子的浓度，改善电性，比如电压等。
36.通过使复合布拉格反射结构30为低反射率半导体层31和高反射率半导体层32交替生长的周期性复合结构，且最先生长和最后生长的半导体层均为低反射率半导体层31，可以增大复合布拉格反射结构30对mqw有源层50的光线的反射率，减少大倾角入射光线的临界损失，以达到提高外延结构的光提取效率的目的。
37.一种实施例中，请参考图2，低反射率半导体层31包括砷化铝(alas)层，高反射率半导体层32包括铝镓砷(algaas)层。具体地，由于衬底10和缓冲层20均采用gaas半导体材料，为了和gaas半导体材料的晶格匹配，低反射率半导体层31采用砷化铝(alas)层，高反射率半导体层32包括铝镓砷(algaas)层，这个材料体系对器件性能存在一个限制因素：作为布拉格反射结构的材料，要求不能吸收激射波长的光(650～700nm)，这就需要布拉格反射结构组成采用al
0.5
ga
0.5
as/alas或相似的组合。通过采用砷化铝层和铝镓砷层组合以构成复合布拉格反射结构，既达到了与衬底材料和有源层材料的晶格相匹配的目的，同时也满足了复合布拉格反射材料不能吸收波长范围为650～700nm的光线的要求。
38.一种实施例中，请参考图2，高反射率半导体层32中al的含量大于或等于46％。通过使高反射率半导体层32中al的含量大于或等于46％，以使铝组分起始点处于直接带隙和间接带隙转折点附近，可以增大反射带宽，降低外延结构的吸光效应，从而提高外延结构的光提取效率。
39.一种实施例中，请参考图1和图2，复合布拉格反射结构30满足以下关系式：d1＝λ/4n1；d2＝λ/4n2。其中，d1为低反射率半导体层31的厚度，n1为低反射率半导体层31的折射率，λ为所要反射的光的波长，d2为高反射率半导体层32的厚度，n2为高反射率半导体层32的折射率。由于不同厚度的复合布拉格反射结构30对应不同的波长干涉相长，通过使低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的厚度随反射光波长λ改变，且使不同厚度的低反射率半导体层31和高反射率半导体层32合理分布，有利于减少复合布拉格反射结构30对大
角度入射光线的吸收，从而提高发光二极管对光线的提取率。
40.一种实施例中，请参考图2，复合布拉格反射结构30按其生长方向包括至少一级布拉格反射单元，其中，每级布拉格反射单元包括若干对周期性交叠生长的低反射率半导体层和高反射率半导体层。通过将复合布拉格反射结构30沿其生长方向划分为至少一级布拉格反射单元，且每级布拉格反射单元包括若干对周期性交叠生长的低反射率半导体层31和高反射率半导体层32，可实现对大角度入射的光线进行反射。
41.一种实施例中，请参考图1和图2，复合布拉格反射结构30按其生长方向包括一初级布拉格反射单元a和若干次级布拉格反射单元b；其中，初级布拉格反射单元a中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数大于各次级布拉格反射单元b中低反射率半导体层32和高反射率半导体层31的交叠周期数。通过设置初级布拉格反射单元a和次级布拉格反射单元b相结合的复合布拉格反射结构，且使次级布拉格反射单元b中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数小于初级布拉格反射单元a中低反射率半导体层和高反射率半导体层的交叠周期数，可以增大对不同倾角入射光线的反射率，增加光子反射量，以提高外延结构的光提取效率。
42.一种实施例中，请参考图1和图2，初级布拉格反射单元a包括至少15对周期性交叠生长的低反射率半导体层31和高反射率半导体层32。由于本技术实施例中低反射率半导体层31包括砷化铝(alas)层，高反射率半导体层32包括铝镓砷(algaas)层，这就导致初级布拉格反射结构的两种材料的折射率差不够大，因此需要更多的低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数来达到想要的反射率。当低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期小于15时，初级拉格反射结构30的反射率较低，从而导致外延结构的光提取效率较低。初级布拉格反射单元a为主反射层，其反射波长接近量子阱发光波长，通过包括至少15对周期性交叠生长的低反射率半导体层31和高反射率半导体层32周期性交叠，可以使复合布拉格反射结构30的对量子阱层的关光线的反射率在90％以上，以使复合布拉格反射结构30对垂直入射的光线保持较高的反射效率。
43.一种实施例中，请参考图1和图2，次级布拉格反射单元满足以下条件式：当1＜m≤3时，n2≥8，n3≥7；当4≤m≤6时，n2＝n3＝
…
＝nm＝3；其中，m为布拉格反射单元的级数，n2为第2级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数，n3为第3级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数，nm为第m级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数。
44.具体地，当m＝2时，第1级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数大于等于15，第2级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数大于等于8；当m＝3时，第1级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数n1≥15，第2级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数n2≥8，第3级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数n3≥7。当复合布拉格反射结构30包含4级布拉格反射单元时，第1级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数n1大于等于15，第2级到第4级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数均为3。当复合布拉格反射结构30包含5级布拉格反射结构时，第1级布拉格反射单元中n1至少包含15个低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交
叠周期，第2级到第5级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数均为3。当复合布拉格反射结构30包含6级布拉格反射单元时，第1级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数n1至少包含15个周期数，第2级到第6级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数均为3。
45.通过使次级布拉格反射单元b中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数满足上述条件的结构设计，可以增大对大倾角入射光线的反射率，增加光子反射量，以提高外延结构的光提取效率。
46.一种实施例中，请参考图1和图2，各级所述布拉格反射单元之间的反射波长逐级递增。具体地，针对相邻两级布拉格反射单元的反射波长，第m级布拉格反射单元相对第m
‑
1级布拉格反射单元的反射波长增加50nm，例如第2级布拉格反射单元相比第1级布拉格反射单元的反射波长增加50nm后为(λ 50)nm，第3级布拉格反射单元相比第2级布拉格反射单元的反射波长在第2级布拉格反射单元的反射波长的基础上再增加50nm，即(λ 100)nm，依此类推。针对不相邻的两级布拉格反射单元的反射波长，例如第6级布拉格反射单元相对于第4级布拉格反射单元的反射波长增加(6
‑
4)*50nm，即第6级布拉格反射单元相对于第4级布拉格反射单元的反射波长增加100nm，第4级布拉格反射单元相对于第1级布拉格反射单元的反射波长增加(4
‑
1)*50nm，即第4级布拉格反射单元相对于第1级布拉格反射单元的反射波长增加150nm，从而第m级布拉格反射单元的反射波长相比于第n级的反射波长增加(m
‑
n)*50nm。通过使第1级布拉格反射单元的反射波长与量子阱发光波长接近，可以最大程度地对量子阱层发出的光进行反射，且通过使每一级布拉格反射单元所反射的波长线性增加，可以将mqw有源层50一定倾角范围内的入射光进行反射，增大光提取效率。
47.基于同样的发明构思，本技术还提供一种发光器件，发光器件包括如上述任一项实施方式的外延结构。通过在发光器件中采用本技术提供的外延结构，提高了发光器件的发光效率。
48.本技术还提供一种外延结构的制备方法，包括：
49.一种实施例中，请参考图3，将n_gaas衬底10置于50torr的压力环境和h2/ash3气体环境中，并升温到690℃处理5min。
50.一种实施例中，请参考图3，将温度降至670℃，通入三甲基镓(tmga)，以生长gaas缓冲层20，生长厚度为25nm，生长压力为50torr，并对其掺杂si，掺杂浓度约为5e17cm
‑3。
51.一种实施例中，请参考图1至图3，在温度为670℃，压力为50torr下，使用三甲基铝(tmal)和三甲基镓(tmga)生长复合布拉格反射结构30，共生长6级，第1级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数的周期数n1＝15，反射波长λ为量子阱发光波长，其余5级布拉格反射单元中低反射率半导体层31和高反射率半导体层32的交叠周期数均为3，反射波长依次为λ 50nm，λ 100nm，λ 150nm，λ 200nm，λ 250nm，按生长方向从下到上先生长第6级布拉格反射结构，最后生长第1级布拉格反射主反射层。复合布拉格反射结构30中第1级布拉格反射主反射层掺杂si，掺杂浓度约为1e19cm
‑3，高反射率al
x
ga1‑
x
as材料中，铝组分x＝46％。
52.特别地，在对复合布拉格反射结构30进行单层实验验证时，由于alas材料在空气中容易氧化，且alas材料的折射率比空气的折射率高，若复合布拉格反射结构30的周期以
alas层31结束生长，则会起到反射削弱的作用，导致实验测出的反射率出现凹坑，影响实验结果。因此在复合布拉格反射结构30单层实验验证时，复合布拉格反射结构30的周期不可以alas层31结束生长，而是以algaas材料结束生长。
53.一种实施例中，请参考图3，通入反应室的v族气体变换为ph3，在温度为670℃，压力50torr下，通入三甲基铟(tmin)和三甲基铝(tmal)，生长n_alinp限制层40，铝组分为50％，生长厚度约500nm，掺杂元素si，掺杂浓度约为2e17cm
‑3。
54.一种实施例中，请参考图3，在温度为650℃，压力50torr下，通入三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal)和三甲基铟(tmin)，生长algainp mqw有源层50，共生长20个周期，其中阱层(al
y
ga1‑
y
)
0.5
in
0.5
p中铝组分y＝8％，生长厚度5nm，垒层(al
z
ga1‑
z
)
0.5
in
0.5
p中铝组分z＝65％，生长厚度8nm，整个algainp mqw有源层50不掺杂其他元素。
55.一种实施例中，请参考图3，升高温度至670℃，在压力50torr下，通入三甲基铝(tmal)和三甲基铟(tmin)生长p_alinp限制层60，铝组分为50％，生长厚度约700nm，掺杂元素为mg、zn或者c，掺杂浓度为3e18cm
‑3。
56.一种实施例中，请参考图3，在温度为670℃，压力50torr下，通入三甲基镓(tmga)、三甲基铝(tmal)和三甲基铟(tmin)，生长algainp过渡层70，生长厚度约为50nm，采用三甲基铟和三甲基铝梯度渐变或者线性渐变到0的生长方式过渡到gap窗口层80，掺杂元素为mg、zn或者c，掺杂浓度从5e18cm
‑3梯度渐变或者线性渐变至1e19cm
‑3。
57.一种实施例中，请参考图2和图3，通入三甲基镓(tmga)，生长gap窗口层80，生长厚度为2500nm，掺杂元素为mg、zn或者c，沿生长方向用温度从700℃到640℃梯度变化逐渐提高掺杂浓度，使掺杂元素依外延片的生长方向实现4e19cm
‑3到9e19cm
‑3的掺杂浓度变化。
58.通过采用本技术实施例提供的外延结构的制备方法可以制备出具有高反射率的外延结构，使得外延结构及包括该外延结构的发光器件具有较高的光提取率。
59.应当理解的是，本技术的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本技术所附权利要求的保护范围。