红光LED外延结构的制作方法

红光led外延结构
技术领域
1.本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种红光led外延结构。


背景技术：

2.发光二极管(led)具有广泛的波长范围，同时具有体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、坚固耐用、高节能以及多变幻的优点，目前已被广泛应用在很多领域。而如何在现有的结构不断成熟的基础上不断的提高led的发光效率成为了现阶段工作的重点。
3.algainp基红光发光二极管目前已商业化，而红光led的发光效率主要取决于有源层的内量子效率和光提取效率，虽然红光led的内量子效率已经可以达到80％以上，但是，由于低的光提取效率，许多产生于有源层的光子并没有逸出红光led，使得外量子效率较低。因此，提高光提取效率是提高红光led外量子效率的有效途径。而红光led的外量子效率很大程度上受到光提取效率影响的原因是：第二型窗口层的材料gap的折射率比较高，gap的折射率(n
gap
)和空气(n
air
)的折射率分别为3.1和1，根据折射定律得到临界角约为20.9
°
，该临界角使得有源层发射的光有很大一部分不能直接发射到空气中，而是要经历多次内反射并最终被红光led自身吸收，不但降低发光效率，也增加了红光led的散热问题。
4.有研究发现，在表面粗糙的led器件中，光子由于散射而增加了逸出的机会，从而可以提高光提取效率。因此，提高红光led的方法可以是表面粗化，表面粗化是指将满足全反射定律的光线改变传播方向并使之在另一表面或者反射回原表面时不会被全反射而透过界面，从而起到防反射的功能。表面粗化最早由日亚化学提出，原理是将器件内部和外部的几何形状进行粗化，从而破坏光线在器件内的全反射，提高其出光效率。目前通过表面粗化方法提高光提取效率的主要有光子晶体、ito、倒装结构以及特殊形状芯片等，而这些具有表面粗化的结构是在外延生长结束后通过后续的管芯刻蚀工艺，例如湿法腐蚀和干法刻蚀gan表面，来获得粗糙的表面，会增加刻蚀等复杂工艺和生产成本。
5.因此，有必要提供一种红光led外延结构，来提高红光led的发光效率，同时可以减少后续管芯刻蚀工艺以及降低成本。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种红光led外延结构，以提高其发光效率、减少后续管芯刻蚀工艺以及降低成本。
7.为了实现上述目的以及其他相关目的，本实用新型提供了一种红光led外延结构，所述红光led外延结构从下至上依次包括：位于衬底上的底部缓冲层、第一型半导体层、有源层以及第二型半导体层，所述第二型半导体层包括第二型窗口层以及位于所述第二型窗口层上的粗化层，所述粗化层的折射率介于所述第二型窗口层的折射率与空气的折射率之间。
8.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述粗化层的表面粗糙度范围为5nm～
10nm。
9.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述粗化层中掺杂有mg，且mg的掺杂浓度为1
×
10
20
cm-3
～5
×
10
20
cm-3
。
10.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述粗化层为外延工艺形成的结构层。
11.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述粗化层为gan层。
12.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述粗化层的厚度为500nm～600nm。
13.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述第一型半导体层从下至上依次包括分布式布拉格反射镜层、第一型限制层以及第一波导层。
14.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述第二型半导体层还包括位于所述有源层上的第二波导层以及位于所述第二波导层与所述第二型窗口层之间的第二型限制层。
15.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述第二型窗口层为gap层。
16.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述第一型半导体层为n型半导体层，所述第二型半导体层为p型半导体层。
17.可选的，在所述的红光led外延结构中，所述衬底为gaas衬底。
18.本实用新型在第二型窗口层上形成有粗化层，而粗化层的折射率介于所述第二型窗口层的折射率与空气的折射率之间，可以增大临界角，进而可以使红光led外延结构的有源层发射的光更多的传输到空气界面，提高光提取效率，进而提高其发光效率。
19.而且本实用新型的粗化层为表面粗化的结构层，其粗糙的表面结构会增加光散射，增加光逃逸概率，增大出光角度，进而提高发光效率，同时可以减少后续繁杂的管芯刻蚀工艺，节约工艺时间以及降低生产成本。
附图说明
20.图1是本实用新型一实施例的红光led外延结构的结构示意图；
21.图2是本实用新型一实施例的红光led外延结构的制备方法的流程图；
22.图3是本实用新型一实施例的红光led外延结构提高发光效率的原理示意图；
23.图1～3中，
24.10-衬底，20-红光led外延结构，201-底部缓冲层，202-分布式布拉格反射镜层，203-第一型限制层，204-第一波导层，205-有源层，206-第二波导层，207-第二型限制层，208-过渡层，209-第二型窗口层，210-粗化层，2101-粗糙的表面结构，30-电极，40-有源层发射的光。
具体实施方式
25.以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的红光led外延结构作进一步详细说明。根据下面说明书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。
26.在对按照本实用新型的实施方式进行说明之前，事先对下述内容进行说明。首先，在本说明书中，仅标记为“algainp”时，表示al、ga、in的总和与p的化学组成比为1：1，al、ga与in的比率不固定的任意的化合物。仅标记为“alinp”时，表示al、in的总和与p的化学组成
比为1：1，al与in的比率不固定的任意的化合物。另外，仅标记为“algaas”时，表示al、ga的总和与as的化学组成比为1：1，al与ga的比率不固定的任意的化合物。
27.参阅图1，所述红光led外延结构20从下至上依次包括：位于衬底10上的底部缓冲层201、第一型半导体层、有源层205以及第二型半导体层，所述第二型半导体层包括第二型窗口层209以及位于所述第二型窗口层209上的粗化层210，所述粗化层210的折射率介于所述第二型窗口层209的折射率与空气的折射率之间。
28.所述粗化层210用于外延结构表面粗化，并且能够通过控制第二型掺杂剂的通入时间与流量来获得不同粗糙度的表面。所述粗化层210的粗糙度的范围优选为5nm～10nm，且所述粗化层210中的所述第二型掺杂剂的掺杂浓度的范围优选为1
×
10
20
cm-3
～5
×
10
20
cm-3
。
29.在本实施例中，所述粗化层210的折射率介于所述第二型窗口层209的折射率与空气的折射率之间。由于所述粗化层210的折射率介于所述第二型窗口层209的折射率与空气的折射率之间，可以增大光出射的临界角，因此可以使红光led外延结构的有源层发射的光更多的传输到空气界面，提高光提取效率，进而提高其发光效率。
30.而且由于粗化层为表面粗化的结构层，其粗糙的表面结构会降低全反射，增加光散射，增加光逃逸概率以及增大出光角度，进而可以提高发光效率。相对于现有技术，本实用新型的红光led外延结构已经具有表面粗化的结构层，并不需要通过后续繁杂的管芯刻蚀工艺来实现表面粗化，因此，本实用新型可以减少后续繁杂的管芯刻蚀工艺，节约工艺时间以及降低生产成本。此外，本实用新型的红光led外延结构的提取效率提高20％左右。
31.在本实施例中，所述第一型半导体层从下至上依次包括分布式布拉格反射镜层(dbr)202、第一型限制层203以及第一波导层204。
32.所述第二型半导体层还可以包括位于所述有源层205上的第二波导层206以及位于所述第二波导层206上的第二型限制层207。除此之外，所述第二型半导体层还可以包括位于所述第二型限制层207与所述第二型窗口层209之间的过渡层208。
33.所述第一型半导体层与所述第二型半导体层的极性相反，例如，所述第一型半导体层为n型半导体层，则对应的所述第二型半导体层为p型半导体层。相应的，所述n型半导体层包括依次层叠分布式布拉格反射镜层、n型限制层以及第一波导层。所述p型半导体层包括依次层叠的第二波导层、p型限制层、过渡层、p型窗口层以及粗化层。
34.参阅图2，所述红光led外延结构20的制备方法具体包括以下步骤：
35.步骤s1：提供一衬底10；
36.步骤s2：在所述衬底10上依次生长底部缓冲层201、第一型半导体层以及有源层205；
37.步骤s3：在所述有源层205上生长第二型半导体层，所述第二型半导体层包括第二型窗口层以及位于所述第二型窗口层上的粗化层210，所述粗化层210的折射率介于所述第二型窗口层209的折射率与空气的折射率之间。
38.所述红光led外延结构20的制备工艺为mocvd工艺、分子束外延工艺、hvpe工艺、等离子体辅助化学气相沉积以及溅射法中的任意一种，优选为mocvd工艺。以下具体实施例中以mocvd工艺为例进行说明。
39.执行步骤s1，提供衬底10。所述衬底10优选为gaas(砷化镓)衬底，但不限于此。
40.执行步骤s2，在所述衬底上依次生长底部缓冲层201和第一型半导体层。所述底部缓冲层201能最大限度的消除所述衬底10的表面缺陷对红光led外延结构20的影响，减少红光led外延结构20出现缺陷和位错的可能，并为下一步生长提供了新鲜的界面。所述底部缓冲层201的材料优选为gaas，但不限于此。所述底部缓冲层201中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(si)、锗(ge)、锡(sn)、碲(te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为si。
41.所述底部缓冲层201的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在700℃～750℃的温度下生长200nm～300nm厚度的缓冲层201。例如，在700℃的温度下生长200nm厚度的底部缓冲层201。
42.在生长所述底部缓冲层201之后，在所述底部缓冲层201上生长第一型半导体层。所述第一型半导体层从下至上依次包括：分布式布拉格反射镜层202、第一型限制层203以及第一波导层204，即在生长所述底部缓冲层201之后，先在所述底部缓冲层201上生长分布式布拉格反射镜层202。所述分布式布拉格反射镜层202为周期性结构，其优选为algaas与alas组成的周期性结构。所述分布式布拉格反射镜层202的周期数为x，且x的范围优选为15～30。所述分布式布拉格反射镜层202中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(si)、锗(ge)、锡(sn)、碲(te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为si。
43.所述分布式布拉格反射镜层202的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在700℃～750℃的温度下生长500nm～1000nm厚度的分布式布拉格反射镜层202。例如，在700℃的温度下生长800nm厚度的分布式布拉格反射镜层202。
44.在生长所述分布式布拉格反射镜层202之后，在所述分布式布拉格反射镜层202上生长所述第一型限制层203。所述第一型限制层203用于提供电子并限制光场分布。所述第一型限制层203的材料优选为alinp，但不限于此。所述第一型限制层207中掺杂第一型掺杂剂，例如n型掺杂剂，可以为硅(si)、锗(ge)、锡(sn)、碲(te)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第一型掺杂剂优选为si。
45.所述第一型限制层203的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在750℃～800℃的温度下生长1200nm～1500nm厚度的第一型限制层203。例如，在770℃的温度下生长1500nm厚度的第一型限制层203。
46.在生长所述第一型限制层203之后，在所述第一型限制层203上生长所述第一波导层204。所述第一波导层204的材料优选为(alyga
1-y
)
0.5
in
0.5
p，且0.5≤y≤1。例如，第一波导层204的材料为(al
0.65
ga
0.35
)
0.5
in
0.5
p。所述第一波导层204为非掺杂层，即所述第一波导层204中不掺杂任何元素。
47.所述第一波导层204的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在750℃～800℃的温度下生长60nm～80nm厚度的第一波导层204。例如，在770℃的温度下生长80nm厚度的第一波导层204。
48.在生长所述第一波导层204之后，在所述第一波导层204上生长所述有源层205。所述有源层205主要用作发光层。所述有源层205优选为多量子阱结构，即所述有源层205优选为量子阱和量子垒组成的周期性结构，且所述有源层205的周期数优选为6～12。所述量子阱的材料优选为ga
0.5
in
0.5
p，但不限于此。所述量子垒的材料优选为(al
0.65
ga
0.35
)
0.5
in
0.5
p，
但不限于此。所述有源层205的厚度优选为200nm～600nm。
49.所述有源层205的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在700℃～750℃的温度下生长6～12个周期的有源层205。例如，在710℃的温度下生长12个周期的有源层205。
50.执行步骤s3，在生长所述有源层205之后，在所述有源层205上生长第二型半导体层。所述第二型半导体层从下至上依次包括：第二波导层206、第二型限制层207、过渡层208、第二型窗口层209和粗化层210。
51.因此，在生长所述有源层205之后，在所述有源层205上先生长所述第二波导层206。所述第一波导层204和所述第二波导层206作为波导层生长在有源层205与限制层之间，主要是为了阻滞杂质扩散影响有源层205的内量子效率，同时提高电子空穴复合几率，有效防止电子空穴溢出有源层205，提高发光效率。
52.所述第二波导层206的材料优选与所述第一波导层204的材料相同，即所述第二波导层206的材料也优选为(alyga
1-y
)
0.5
in
0.5
p，且0.5≤y≤1。例如，第二波导层206的材料为(al
0.65
ga
0.35
)
0.5
in
0.5
p。所述第二波导层206为非掺杂层，即所述第二波导层206中不掺杂任何元素。
53.所述第二波导层206的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在750℃～800℃的温度下生长60nm～80nm厚度的第二波导层206。例如，在770℃的温度下生长80nm厚度的第二波导层206。
54.在生长所述第二波导层206之后，在所述第二波导层206上生长所述第二型限制层207。所述第二型限制层207用于提供空穴。而且所述第一型限制层203和所述第二型限制层207作为限制层主要有两个作用，一方面是限制少数载流子不溢出有源层205，提高复合发光效率；另一方面是作为一个重要的窗口，使有源层205发出的光子极容易通过限制层，来提高红光led的发光效率。
55.所述第二型限制层207的材料优选为alinp，但不限于此。所述第二型限制层207中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为镁(mg)、锌(zn)、镉(cd)、铍(be)、锰(mn)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述第二型掺杂剂优选为mg。
56.所述第二型限制层207的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在750℃～800℃的温度下生长1200nm～1500nm厚度的第二型限制层207。例如，在770℃的温度下生长1500nm厚度的第二型限制层207。
57.在生长所述第二型限制层207之后，在所述第二型限制层207上生长所述过渡层208。所述过渡层208的材料优选为algainp，但不限于此。所述过渡层208中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为镁(mg)、锌(zn)、镉(cd)、铍(be)、锰(mn)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述过渡层208掺杂剂优选为mg。
58.所述过渡层208的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在750℃～800℃的温度下生长5nm～10nm厚度的过渡层208。例如，在770℃的温度下生长10nm厚度的过渡层208。
59.在生长所述过渡层208之后，在所述过渡层208上生长所述第二型窗口层209。所述第二型窗口层209优选为gap层，即所述第二型窗口层209的材料优选为gap(磷化镓)，但不限于此。所述第二型窗口层209中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为镁(mg)、锌
(zn)、镉(cd)、铍(be)、锰(mn)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述掺杂剂优选为mg。
60.所述第二型窗口层209的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，且在800℃～900℃的温度下生长3000nm～5000nm厚度的第二型窗口层209。例如，在850℃的温度下生长4000nm厚度的第二型窗口层209。
61.由于所述第二型窗口层209的材料gap的折射率比较高，gap的折射率(n
gap
)和空气(n
air
)的折射率分别为3.1和1，根据折射定律得到临界角θ1约为20.9
°
，请参阅图3，这个临界角使有源层205发射的光40有很大一部分不能直接发射到空气中，而是要经历多次内反射并最终被红光led外延结构自身吸收，不但降低发光效率，也增加了红光led外延结构的散热问题。本实施例通过在所述第二型窗口层209上增加粗化层210，增大临界角，能够提高发光效率，同时也不会出现红光led外延结构的散热问题。继续参阅图3，所述粗化层210的材料以gan为例，具有平坦表面的粗化层((n
gan
＝2.5)的红光led外延结构的有源层205发射的光40可以以临界角θ2从第二窗口层209传输到粗化层210，θ2约为59.7
°
，并以26.2
°
的临界角从粗化层210传输到空气界面，可以提高光提取效率。对于表面粗化的粗化层210，由于其粗糙的表面结构2101，光散射增加，逃逸概率急剧增加，增大了出光角度，可以进一步提高光提取效率。
62.因此，本实施例在生长所述第二型窗口层209之后，在所述第二型窗口层209上生长所述粗化层210。所述粗化层210用于外延结构表面粗化，并且能够通过控制第二型掺杂剂的通入时间与流量来获得不同粗糙度的表面，例如通过控制第二掺杂剂的流量来增加粗化层210的粗糙度。所述第二型掺杂剂的通入时间优选为5min～15min，流量优选为200sccm～500sccm，最终获得的所述粗化层210的粗糙度的范围为5nm～10nm。所述粗化层210中掺杂第二型掺杂剂，例如p型掺杂剂，可以为镁(mg)、锌(zn)、镉(cd)、铍(be)、锰(mn)中的至少一种，但不限于此。进一步地，所述掺杂剂优选为mg，且mg的掺杂浓度优选为1
×
10
20
cm-3
～5
×
10
20
cm-3
。
63.所述粗化层210的折射率优选介于所述第二型窗口层209的折射率与空气的折射率之间。在本实施例中，与空气折射率接近且易于外延生长的材料均可以作为所述粗化层210的材料。进一步的，所述粗化层优选为gan层，即所述粗化层210的材料优选为gan，但不限于此。
64.所述粗化层的生长工艺条件为：在mocvd生长炉的反应室内，在生长温度为800℃～900℃，mg流量为200sccm～500sccm的条件下，在所述第二型窗口层209上生长厚度为500nm～600nm的粗化层210，且可以通过控制mg的流量来增加粗化层210的粗糙度。例如，在850℃以及mg流量为400sccm下生长550nm厚度的粗化层210。
65.在本实施例中，在制备所述led外延结构20之后，还可以在所述led外延结构20上形成电极30，具体为在所述粗化层210上形成电极30，即在生长所述粗化层210之后，在所述粗化层210上制备电极30。所述电极30的材料为金属材料，例如可以为cu、al等，但不限于此。
66.本实用新型通过外延手段对红光led进行表面粗化，并且能够通过控制第二掺杂剂的通入时间与流量来获得不同粗糙度的表面，通过表面的粗化程度，降低全反射，提高出光效率，并且工艺简单，可操作性强，能够减少后续的为达到相同目的而进行繁杂的管芯刻蚀工艺，既节约时间又降低生产成本。本实用新型的红光led外延结构的提取效率提高20％
左右。
67.此外，可以理解的是，虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本实用新型。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。
68.而且还应该理解的是，本实用新型并不限于此处描述的特定的方法、化合物、材料、制造技术、用法和应用，它们可以变化。还应该理解的是，此处描述的术语仅仅用来描述特定实施例，而不是用来限制本实用新型的范围。必须注意的是，此处的以及所附权利要求中使用的单数形式“一个”、“一种”以及“该”包括复数基准，除非上下文明确表示相反意思。因此，例如，对“一个步骤”引述意味着对一个或多个步骤的引述，并且可能包括次级步骤。应该以最广义的含义来理解使用的所有连词。因此，词语“或”应该被理解为具有逻辑“或”的定义，而不是逻辑“异或”的定义，除非上下文明确表示相反意思。此处描述的结构将被理解为还引述该结构的功能等效物。可被解释为近似的语言应该被那样理解，除非上下文明确表示相反意思。