红光二极管外延结构及其制备方法、红光二极管与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种红光二极管外延结构及其制备方法、红光二极管。


背景技术：

2.发光二极管(light emitting diode，简称led)显示装置具有分辨率高、对比度高以及功耗低等优势，已经广泛应用于广告、体育、交通、金融、通讯、商业及演播等各行各业中。随着led制备工艺和微纳加工技术的成熟，led的尺寸也越来越小，逐渐达到微米量级(mini/micro-led)。
3.目前，在采用micro-led构成的全彩显示装置中，与红光micro-led相比，蓝光micro-led和绿光micro-led及其制备工艺较为成熟。但是，红光micro-led及其制备工艺还有较大发展空间，例如红光micro-led的外量子效率和出光亮度较低。
4.因此，如何提升红光二极管的外量子效率和出光亮度，是亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.鉴于上述现有技术的不足，本技术的目的在于提供一种红光二极管外延结构及其制备方法、红光二极管，旨在解决如何提升红光二极管外延结构及红光二极管外量子效率和出光亮度的问题。
6.本技术实施例提供一种红光二极管外延结构，包括依次层叠设置的p型半导体层、有源层和n型半导体层。p型半导体层包括p型电流扩展反射层。p型电流扩展反射层包括至少一组由砷化铝镓和砷化铝交替生长形成的dbr反射镜。
7.上述红光二极管外延结构中，p型电流扩展反射层位于有源层的一侧。这样在n型半导体层作为红光二极管外延结构出光侧的情况下，p型电流扩展反射层采用至少一组由砷化铝镓和砷化铝交替生长形成的dbr反射镜，可以在满足电流扩展的同时对有源层出射的光波进行有效反射，从而避免有源层出射的部分光波从衬底一侧损失掉，有利于提升红光二极管外延结构的外量子效率及出光亮度。
8.此外，上述红光二极管外延结构中，p型电流扩展反射层同时兼顾电流扩展和光反射的功能，无需在红光二极管外延结构中分别设置电流扩展层和dbr层，也利于简化红光二极管外延结构的结构及其制备工艺。
9.可选的，p型电流扩展反射层包括：层叠设置的第一组dbr反射镜和第二组dbr反射镜。其中，第一组dbr反射镜和第二组dbr反射镜分别用于反射具有不同中心波长的光波；和/或，第一组dbr反射镜和第二组dbr反射镜具有不同的反射带宽。
10.上述红光二极管外延结构中，利用p型电流扩展反射层中不同组的dbr反射镜，可以确保p型电流扩展反射层能够反射的光波具有较大的中心波长范围，和/或确保p型电流扩展反射层具有较大的反射带宽范围。
11.可选的，第一组dbr反射镜包括：x个第一叠层结构，第一叠层结构包括层叠设置的
al
0.4
ga
0.6
as单层和alas单层。第二组dbr反射镜包括：y个第二叠层结构，第二叠层结构包括层叠设置的al
0.45
ga
0.55
as单层和alas单层。其中，x和y分别为大于或等于1的正整数。
12.可选的，x和y之和的取值范围包括：20～40。
13.可选的，第一组dbr反射镜中，al
0.4
ga
0.6
as单层的厚度取值包括：46.7nm
±
0.5nm。alas单层的厚度取值包括：53.5nm
±
0.5nm。如此，第一组dbr反射镜能够用于反射中心波长约为670nm的波长，第一组dbr反射镜的反射带宽约为40nm。
14.可选的，第二组dbr反射镜中，al
0.45
ga
0.55
as单层的厚度取值包括：43.9nm
±
0.5nm。alas单层的厚度取值包括：50.3nm
±
0.5nm。如此，第二组dbr反射镜能够用于反射中心波长约为630nm的波长，第二组dbr反射镜的反射带宽约为48nm。
15.可选的，p型电流扩展反射层中，镁离子掺杂浓度的取值范围包括：1e18/cm3～2e18/cm3。
16.基于同样的发明构思，本技术实施例还提供一种红光二极管外延结构的制备方法，包括如下步骤。
17.提供衬底。
18.在衬底上层叠生长p型半导体层、有源层和n型半导体层。p型半导体层包括：p型电流扩展反射层。其中，p型电流扩展反射层包括至少一组由砷化铝镓和砷化铝交替生长形成的dbr反射镜。
19.上述红光二极管外延结构的制备方法用于制备前述一些实施例中的红光二极管外延结构。前述红光二极管外延结构所能实现的技术效果，该红光二极管外延结构的制备方法也均能实现，此处不再详述。
20.可选的，在衬底上生长p型电流扩展反射层，包括如下步骤。
21.在衬底上外延生长第一组dbr反射镜。第一组dbr反射镜包括：x个第一叠层结构，第一叠层结构包括层叠设置的al
0.4
ga
0.6
as单层和alas单层。
22.在第一组dbr反射镜表面外延生长第二组dbr反射镜。第二组dbr反射镜包括：y个第二叠层结构，第二叠层结构包括层叠设置的al
0.45
ga
0.55
as单层和alas单层。
23.其中，x和y分别为大于或等于1的正整数。
24.可选的，p型电流扩展反射层的掺杂源包括cp2mg。
25.基于同样的发明构思，本技术实施例还提供一种红光二极管，包括如上一些实施例所述的红光二极管外延结构，以及与p型半导体层连接的第一电极，与n型半导体层连接的第二电极。前述红光二极管外延结构所能实现的技术效果，该红光二极管也均能实现，此处不再详述。
附图说明
26.图1为一实施例提供的一种红光二极管外延结构的结构示意图；
27.图2为一实施例提供的一种p型电流扩展反射层的结构示意图；
28.图3为一实施例提供的一种红光二极管外延结构的制备方法的流程图；
29.图4为一实施例提供的一种红光二极管的结构示意图。
30.附图标记说明：
31.1-衬底；2-p型半导体层；21-p型阻挡层；22-p型欧姆接触层；
32.23-p型电流扩展反射层；231-第一组dbr反射镜；
33.232-第二组dbr反射镜；24-p型限制层；25-p型波导层；
34.3-有源层；4-n型半导体层；41-n型波导层；42-n型限制层；
35.43-n型过渡层；44-n型窗口层；5-缓冲层；6-第一电极；7-第二电极；
36.m1-第一个第一叠层结构；m2-第二个第一叠层结构；
37.mx-第x个第一叠层结构；n1-第一个第二叠层结构；
38.n2-第二个第二叠层结构；ny-第y个第二叠层结构；
39.d1-第一组dbr反射镜中al
0.4
ga
0.6
as单层的厚度；
40.d2-第一组dbr反射镜中alas单层的厚度；
41.d3-第二组dbr反射镜中al
0.45
ga
0.55
as单层的厚度；
42.d4-第二组dbr反射镜中alas单层的厚度。
具体实施方式
43.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。
44.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。
45.led显示装置中的发光单元多为微型发光二极管(micro-led)或迷你发光二极管(mini-led)。micro-led的尺寸介于1μm-100μm。mini-led芯片的尺寸介于50μm-200μm。led显示装置采用micro-led或mini-led作为发光单元，可以具有分辨率高、对比度高以及功耗低等优势。
46.目前，在采用micro-led构成的全彩显示装置中，与红光micro-led相比，蓝光micro-led和绿光micro-led及其制备工艺较为成熟。但是，红光micro-led及其制备工艺还有较大发展空间，例如红光micro-led的出光效率较低。
47.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。
48.请参阅图1，本技术实施例提供一种红光二极管外延结构，包括衬底1以及依次层叠设置于衬底1上的p型半导体层2、有源层3和n型半导体层4。p型半导体层2包括p型电流扩展反射层23。其中，p型电流扩展反射层23包括至少一组由砷化铝镓和砷化铝交替生长形成的dbr(distributed bragg reflection)反射镜。
49.此处，p型半导体层2和n型半导体层4的结构，可以根据实际需求选择设置。
50.示例的，p型半导体层2包括自下而上外延生长于衬底1上的p型阻挡层21、p型欧姆接触层22、p型电流扩展反射层23、p型限制层24和p型波导层25。
51.示例的，n型半导体层4包括沿远离有源层3的方向依次层叠设置的n型波导层41、n型限制层42、n型过渡层43和n型窗口层44。
52.此外，可选的，衬底1和p型半导体层2之间设置有缓冲层5。即，p型半导体层2外延
生长于缓冲层5上，以利于提升p型半导体层2的外延生长质量。
53.本技术实施例中，红光二极管外延结构用于制备采用倒装结构的红光二极管，也即：n型窗口层44为红光二极管外延结构的出光侧。
54.可选的，衬底1为砷化鎵衬底，例如为掺杂硅的n型gaas衬底。但并不仅限于此。其他采用v族元素的半导体衬底也均适用。
55.可选的，基于n型gaas衬底，缓冲层5为p-gaas缓冲层，p型阻挡层21为p-ga
x1
in
1-x1
p腐蚀截止层，p型欧姆接触层22为p-gaas欧姆接触层，p型电流扩展反射层23为p-dbr(algaas/alas)电流扩展反射层，p型限制层24为p-al
x2
in
1-x2
p限制层，p型波导层25为p-(al
x3
ga
1-x3
)
0.5
in
0.5
p波导层，有源层3为量子阱，n型波导层41为n-(al
x4
ga
1-x4
)
0.5
in
0.5
p波导层，n型限制层42为n-al
x5
in
1-x5
p限制层，n型过渡层43为n-(al
x6
ga
1-x6
)yin1‑‑yp过渡层，n型窗口层44为n-gap窗口层。但并不仅限于此。
56.此处，x1、x2、x3、x4、x5、x6和y可以根据实际需求选择设置，本技术实施例对此不作具体限定。
57.此外，上述缓冲层5、p型阻挡层21、p型欧姆接触层22、p型电流扩展反射层23和p型限制层24为p型材料层，均可以进行mg离子掺杂。上述n型限制层42、n型过渡层43和n型窗口层44为n型材料层，均可以进行si掺杂。
58.本技术实施例在n型gaas衬底上先外延生长p型材料层。然后再由p型材料层长到n型材料层，可以使得p型电流扩展反射层23位于有源层3和衬底1之间。如此，在n型窗口层44作为红光二极管外延结构出光侧的情况下，p型电流扩展反射层23采用至少一组由砷化铝镓和砷化铝交替生长形成的dbr反射镜，可以在满足电流扩展的同时对有源层3出射的光波进行有效反射，从而避免有源层3出射的部分光波从p型材料层一侧损失掉，有利于提升红光二极管外延结构的外量子效率及出光亮度。
59.此外，本技术实施例中，p型电流扩展反射层23同时兼顾电流扩展和光反射的功能，无需在红光二极管外延结构中分别设置电流扩展层和dbr层，也利于简化红光二极管外延结构的结构及其制备工艺。
60.在一些实施例中，请参阅图2，p型电流扩展反射层23包括：沿远离衬底1的方向层叠设置的第一组dbr反射镜231和第二组dbr反射镜232。其中，第一组dbr反射镜231和第二组dbr反射镜232分别用于反射具有不同中心波长的光波；和/或，第一组dbr反射镜231和第二组dbr反射镜232具有不同的反射带宽。
61.上述红光二极管外延结构中，利用p型电流扩展反射层23中不同组的dbr反射镜，可以确保p型电流扩展反射层23能够反射的光波具有较大的中心波长范围，和/或，确保p型电流扩展反射层23具有较大的反射带宽范围。
62.可选的，请继续参阅图2，第一组dbr反射镜231包括：x个第一叠层结构(m1、m2、
……
mx)。第一叠层结构包括层叠设置的al
0.4
ga
0.6
as单层和alas单层；即，al
0.4
ga
0.6
as单层和alas单层层叠构成1个第一叠层结构。
63.可选的，请继续参阅图2，第二组dbr反射镜232包括：y个第二叠层结构(n1、n2、
……
ny)。第二叠层结构包括层叠设置的al
0.45
ga
0.55
as单层和alas单层；即，al
0.45
ga
0.55
as单层和alas单层层叠构成1个第二叠层结构。
64.上述实施例中，x和y分别为大于或等于1的正整数。x和y可以根据实际需求选择设
置。
65.可选的，x和y之和的取值范围包括：20～40。例如，x+y的值为20、25、30、35或40。但并不仅限于此。
66.在一种示例中，x和y之和的取值范围为20～25。例如，x+y的值为21、21、22、23、24或25。如此，有利于确保p型电流扩展反射层23具有较大的光反射率。
67.可以理解的是，第一组dbr反射镜231中al
0.4
ga
0.6
as单层和alas单层的厚度，以及第二组dbr反射镜232中al
0.45
ga
0.55
as单层和alas单层的厚度，可以根据待反射光波的波长以及al
0.4
ga
0.6
as、al
0.45
ga
0.55
as、alas材料的折射率选择确定。
68.可选的，请参阅图2，第一组dbr反射镜231中，al
0.4
ga
0.6
as单层的厚度d1值包括：46.7nm
±
5nm；例如为46.7nm。alas单层的厚度d2取值包括：53.5nm
±
5nm；例如为53.5nm。如此，第一组dbr反射镜231能够用于反射中心波长约为670nm的波长，第一组dbr反射镜231的反射带宽约为40nm。但并不仅限于此。
69.可选的，请参阅图2，第二组dbr反射镜232中，al
0.45
ga
0.55
as单层的厚度d3取值包括：43.9nm
±
5nm；例如为43.9nm。alas单层的厚度d4取值包括：50.3nm
±
5nm；例如为50.3nm。如此，第二组dbr反射镜232能够用于反射中心波长约为630nm的波长，第二组dbr反射镜232的反射带宽约为48nm。但并不仅限于此。
70.可选的，p型电流扩展反射层23中，镁离子掺杂浓度的取值范围包括：1e18/cm3～2e18/cm3。例如，镁离子掺杂浓度的取值为：1e18/cm3、1.2e18/cm3、1.5e18/cm3、1.8e18/cm3、或2e18/cm3。但并不仅限于此。
71.本技术实施例中，p型电流扩展反射层23中的镁离子掺杂浓度采用如上设置，不仅可以避免因镁离子掺杂浓度过大而引入间隙原子，导致p型电流扩展反射层23的晶体质量恶化，也可以避免因镁离子掺杂浓度过小而降低p型电流扩展反射层23的电流扩展能力。
72.此外，可选的，p型电流扩展反射层23形成过程中所使用的掺杂源为cp2mg。
73.基于同样的发明构思，请参阅图3，本技术实施例还提供一种红光二极管外延结构的制备方法，包括如下步骤。
74.s100，提供衬底。
75.可选的，衬底为砷化鎵衬底，例如为掺杂硅的n型gaas衬底。但并不仅限于此。其他采用v族元素的半导体衬底也均适用。
76.s200，在衬底上层叠生长p型半导体层、有源层和n型半导体层。p型半导体层包括p型电流扩展反射层。p型电流扩展反射层包括至少一组由砷化铝镓和砷化铝交替生长形成的dbr反射镜。
77.可选的，p型半导体层包括自下而上外延生长于衬底上的p型阻挡层、p型欧姆接触层、p型电流扩展反射层、p型限制层和p型波导层。衬底和p型半导体层之间设置有缓冲层。
78.可选的，n型半导体层包括沿远离有源层的方向依次层叠设置的n型波导层、n型限制层、n型过渡层和n型窗口层。
79.可选的，基于n型gaas衬底，缓冲层为p-gaas缓冲层，p型阻挡层为p-ga
x1
in
1-x1
p腐蚀截止层，p型欧姆接触层为p-gaas欧姆接触层，p型电流扩展反射层为p-dbr(algaas/alas)电流扩展反射层，p型限制层为p-al
x2
in
1-x2
p限制层，p型波导层为p-(al
x3
ga
1-x3
)
0.5
in
0.5
p波导层，有源层为量子阱，n型波导层为n-(al
x4
ga
1-x4
)
0.5
in
0.5
p波导层，n型限制层为
n-al
x5
in
1-x5
p限制层，n型过渡层为n-(al
x6
ga
1-x6
)yin1‑‑yp过渡层，n型窗口层为n-gap窗口层。但并不仅限于此。
80.上述x1、x2、x3、x4、x5、x6和y均可以根据实际需求选择设置，本技术实施例对此不作具体限定。
81.上述缓冲层、p型阻挡层、p型欧姆接触层、p型电流扩展反射层、p型限制层、p型波导层、有源层、n型波导层、n型限制层、n型过渡层和n型窗口层，均可以采用金属有机化合物化学气相沉积(metal-organic chemical vapor deposition，简称mocvd)技术生长形成。
82.上述缓冲层、p型阻挡层、p型欧姆接触层、p型电流扩展反射层和p型限制层为p型材料层，均可以进行mg离子掺杂。上述n型限制层、n型过渡层和n型窗口层为n型材料层，均可以进行si掺杂。
83.上述红光二极管外延结构的制备方法用于制备前述一些实施例中的红光二极管外延结构。前述红光二极管外延结构所能实现的技术效果，该红光二极管外延结构的制备方法也均能实现，此处不再详述。
84.在一些实施例中，p型电流扩展反射层的结构如图2中所示，在衬底上生长p型电流扩展反射层，包括如下步骤。
85.首先，在衬底上外延生长第一组dbr反射镜。第一组dbr反射镜例如生长于p型欧姆接触层的表面。第一组dbr反射镜包括：x个第一叠层结构(m1、m2、
……
mx)。第一叠层结构包括层叠设置的al
0.4
ga
0.6
as单层和alas单层。
86.其次，在第一组dbr反射镜表面外延生长第二组dbr反射镜。第二组dbr反射镜包括：y个第二叠层结构(n1、n2、
……
ny)。第二叠层结构包括层叠设置的al
0.45
ga
0.55
as单层和alas单层。
87.上述步骤中，x和y分别为大于或等于1的正整数。x和y可以根据实际需求选择设置。可选的，x和y之和的取值范围包括：20～40。例如，x+y的值为20、25、30、35或40。但并不仅限于此。
88.此外，可选的，第一组dbr反射镜中，al
0.4
ga
0.6
as单层的厚度取值包括：46.7nm
±
5nm；例如为46.7nm。alas单层的厚度取值包括：53.5nm
±
5nm；例如为53.5nm。如此，第一组dbr反射镜能够用于反射中心波长约为670nm的波长，第一组dbr反射镜的反射带宽约为40nm。但并不仅限于此。
89.可选的，第二组dbr反射镜中，al
0.45
ga
0.55
as单层的厚度取值包括：43.9nm
±
5nm；例如为43.9nm。alas单层的厚度的取值包括：50.3nm
±
5nm；例如为50.3nm。如此，第二组dbr反射镜能够用于反射中心波长约为630nm的波长，第二组dbr反射镜的反射带宽约为48nm。但并不仅限于此。
90.上述红光二极管外延结构中，第一组dbr反射镜和第二组dbr反射镜可以分别用于反射具有不同中心波长的光波。并且，第一组dbr反射镜和第二组dbr反射镜可以具有不同的反射带宽。如此，利用p型电流扩展反射层中不同组的dbr反射镜，可以确保p型电流扩展反射层能够反射的光波具有较大的中心波长范围，以及确保p型电流扩展反射层具有较大的反射带宽范围。
91.在一些实施例中，p型电流扩展反射层中镁离子掺杂浓度的取值范围包括：1e18/cm3～2e18/cm3。例如，镁离子掺杂浓度的取值为：1e18/cm3、1.2e18/cm3、1.5e18/cm3、
1.8e18/cm3、或2e18/cm3。但并不仅限于此。
92.可选的，p型电流扩展反射层生长过程中所使用的掺杂源为cp2mg。
93.为了更清楚的说明本技术实施例中p型电流扩展反射层的制备方法，以下以图2中所示的p型电流扩展反射层为例进行详述。
94.首先，采用mocvd工艺，在p型欧姆接触层的表面沉积第一组dbr反射镜231。
95.示例的，在p型欧姆接触层的表面，先沉积第一个第一叠层结构m1中高折射率的al
0.4
ga
0.6
as单层，然后沉积第一个第一叠层结构m1中低折射率的alas单层。
96.此处，在沉积al
0.4
ga
0.6
as单层时，沉积温度在690℃～720℃之间，真空腔室的压力保持在50mbar。al
0.4
ga
0.6
as单层的沉积过程，表现为：以砷烷为
ⅴ
族半导体源，以氢气为载气，以cp2mg作为掺杂源，通入一定比例的tmga和tmal的ⅲ族半导体源，并控制沉积时间，以生长出厚度为46.7nm的al
0.4
ga
0.6
as单层。其中，
ⅴ
族半导体源和ⅲ族半导体源的质量比的取值范围为40～60。
97.在沉积alas单层时，改变ⅲ族半导体源，例如关闭tmga的通入，并保持tmal的通入量；其他工艺条件例如
ⅴ
族半导体源、cp2mg作为掺杂源等保持不变，生长出厚度为53.5nm的alas单层。
98.如此，可以生长完成第一个由al
0.4
ga
0.6
as单层和alas单层构成的第一叠层结构m1。
99.之后，采用如上相同的工艺，在第一个第一叠层结构m1的表面依次生长第二个第一叠层结构m2、第三个第一叠层结构m3直至第x个第一叠层结构mx，以获得第一组dbr反射镜231。这样，第一组dbr反射镜231能够反射中心波长约为670nm的光波，第一组dbr反射镜231的反射带宽约为40nm。
100.然后，采用mocvd工艺，在第一组dbr反射镜231的表面沉积第二组dbr反射镜232。
101.示例的，在第一组dbr反射镜231的表面，先沉积第一个第二叠层结构n1中高折射率的al
0.45
ga
0.55
as单层，然后沉积第一个第二叠层结构n1中低折射率的alas单层。
102.此处，在沉积al
0.45
ga
0.55
as单层时，沉积温度在690℃～720℃之间，真空腔室的压力保持在50mbar。al
0.45
ga
0.55
as单层的沉积过程，表现为：继续以砷烷为
ⅴ
族半导体源，以氢气为载气，以cp2mg作为掺杂源；同时改变ⅲ族半导体源，例如打开处于关闭状态的tmga输入并调整tmga的通入量，且保持原有tmal的通入量，以生长出厚度为43.9nm的al
0.45
ga
0.55
as单层。
103.在沉积alas单层时，改变ⅲ族半导体源，例如关闭tmga的通入，并保持原有tmal的通入量；其他工艺条件例如
ⅴ
族半导体源、cp2mg作为掺杂源等保持不变，生长出厚度为50.3nm的alas单层。
104.如此，可以生长完成第一个由al
0.45
ga
0.55
as单层和alas单层构成的第二叠层结构n1。
105.之后，采用如上相同的工艺，在第一个第二叠层结构n1的表面依次生长第二个第二叠层结构n2、第三个第二叠层结构n3直至第y个第二叠层结构ny，以获得第二组dbr反射镜232。这样，第二组dbr反射镜232能够反射中心波长约为630nm的光波，第二组dbr反射镜232的反射带宽约为48nm。
106.需要补充的是，上述红光二极管外延结构中，p型电流扩展反射层以外的其他外延
层可以根据实际需求选择制备工艺，本技术实施例对此不做限定。此外，在制备完成上述红光二极管外延结构之后，需要进行外延结构相关的检测。经检测合格的红光二极管外延结构可以用于制备红光二极管。
107.基于同样的发明构思，请参阅图4，本技术实施例还提供一种红光二极管，包括：前述一些实施例中所述的红光二极管外延结构，以及与p型半导体层2连接的第一电极6，与n型半导体层4连接的第二电极7。前述红光二极管外延结构所能实现的技术效果，该红光二极管也均能实现，此处不再详述。
108.可选的，第一电极6与p型半导体层2中的p型电流扩展反射层23连接。
109.可选的，第二电极7与n型半导体层4中n型窗口层44连接。
110.本公开实施例中不限定第一电极6和第二电极7的具体材质，可以根据实际需求进行选择。例如，第一电极6和第二电极7为金属电极。例如,第一电极6和第二电极7为单层结构或叠层结构。
111.应当理解的是，本发明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发明所附权利要求的保护范围。