LED外延结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体，特别涉及一种led外延结构及其制备方法。

背景技术：

1、led(light emitting diode，发光二极管)作为21世纪的照明新光源，其光效高、工作电压低、体积小、可平面封装、易于开发轻薄型产品、结构坚固、光源本身不含汞和铅等有害物质、无红外和紫外污染以及不会在生产和使用中产生对外界的污染，因此led光源具有节能、环保和寿命长等特点。例如同样亮度下，led灯耗电仅为普通白炽灯的l/10，而寿命却可以延长100倍。如同晶体管替代电子管一样，led灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也将是大势所趋。

2、led主要是量子阱发光，而量子阱发光原理是一种基于半导体材质的光电转换原理。在晶体材质中形成的量子阱结构可以限制电子和空穴在一维空间内运动，当外加电压或其他激发条件作用于量子阱结构时，电子和空穴通过跃迁过程从一能级跃迁至另一能级，产生能量差，这部分能量以光子的形式被释放出来。因此提高发光效率的有效手段之一是提高掺杂的浓度以提高自由电子和空穴的数量，传统的手段是在外延结构生长时增大掺杂源的流量，但流量过高将产生大量的晶体缺陷，外延结构的晶体质量与表面形貌变差，自由空穴的浓度降低，反而会使发光效率变低。

3、因此，有必要提供一种led外延结构及其制备方法来提高led的发光效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种led外延结构及其制备方法，以提高led的发光效率。

2、为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明提供了一种led外延结构，从下至上依次包括：位于衬底上的缓冲层、截止层、第一型半导体层、有源层、插入层以及第二型半导体层，其中所述插入层包括扩展层和mg层，所述扩展层的上表面具有多个凹坑，所述mg层位于所述凹坑中。

3、可选的，在所述的led外延结构中，所述凹坑为圆柱状的凹形坑或者圆锥状的凹形坑，每个所述凹坑的直径为0.5nm～20nm，深度为1nm～50nm，深度与直径的比例为2：1～6：1。

4、可选的，在所述的led外延结构中，每个所述凹坑均为量子坑，通过控制所述量子坑的形态，使得所述插入层与第二型半导体层的界面处形成狭长的通道，进而使得载流子在深度方向上的运动限制远小于在直径方向上的运动限制。

5、可选的，在所述的led外延结构中，所述凹坑的密度大于1×105cm-2。

6、可选的，在所述的led外延结构中，所述扩展层的材质包括(alhga1-h)0.25in0.25p0.5，其中m≤h≤1，m为所述有源层的势垒层中的al组分。

7、可选的，在所述的led外延结构中，所述扩展层为al组分渐变的结构层，所述扩展层中的al组分沿着所述第一型半导体层指向第二型半导体层的方向逐渐增加，且所述扩展层的起始al组分与所述有源层的势垒层中的al组分保持一致。

8、可选的，在所述的led外延结构中，所述扩展层中掺杂mg，且mg的掺杂浓度为5e17cm-3～5e18cm-3；所述扩展层的厚度为100nm～400nm。

9、可选的，在所述的led外延结构中，所述扩展层的上表面的多个所述凹坑为随机间隔分布。

10、为了实现上述目的以及其他相关目的，本发明还提供了一种led外延结构的制备方法，包括以下步骤：

11、提供衬底；

12、在所述衬底上依次生长缓冲层、截止层、第一型半导体层、有源层以及插入层，其中所述插入层包括扩展层和mg层，所述扩展层的上表面具有多个凹坑，所述mg层位于所述凹坑中；

13、在所述插入层上生长第二型半导体层。

14、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述凹坑为圆柱状的凹形坑或者圆锥状的凹形坑，每个所述凹坑的直径为0.5nm～20nm，深度为1nm～50nm，深度与直径的比例为2：1～6：1。

15、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，每个所述凹坑均为量子坑，通过控制所述量子坑的形态，使得所述插入层与第二型半导体层的界面处形成狭长的通道，进而使得载流子在深度方向上的运动限制远小于在直径方向上的运动限制。

16、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述凹坑的密度大于1×105cm-2。

17、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述扩展层的材质包括(alhga1-h)0.25in0.25p0.5，其中m≤h≤1，m为所述有源层的势垒层中的al组分。

18、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述扩展层为al组分渐变的结构层，所述扩展层中的al组分沿着所述第一型半导体层指向第二型半导体层的方向逐渐增加，且所述扩展层的起始al组分与所述有源层的势垒层中的al组分保持一致。

19、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述扩展层中掺杂mg，且mg的掺杂浓度为5e17cm-3～5e18cm-3；所述扩展层的厚度为100nm～400nm。

20、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述扩展层的上表面的多个所述凹坑为随机间隔分布。

21、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述插入层的形成方法包括：

22、打开ⅲ族源、v族源和mg源，以在所述有源层上生长所述扩展层；

23、关闭ⅲ族源和v族源，并持续打开mg源，以在所述扩展层上生长所述mg层，且在mg层的生长过程中，mg源会在所述扩展层的上表面聚集形成金属液滴，所述金属液滴会钻蚀所述扩展层的上表面形成所述凹坑；

24、关闭mg源，执行原位退火工艺。

25、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述原位退火工艺的气氛为h2，所述原位退火工艺的温度为650℃～750℃，所述原位退火工艺的时间为30秒～120秒。

26、可选的，在所述的led外延结构的制备方法中，所述mg层的生长速率为0.1ml/s～10ml/s，所述mg层的生长温度为650℃～750℃。

27、与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

28、本发明提供的led外延结构在有源层和第二型半导体层之间设置了包括扩展层和mg层的插入层，所述扩展层上具有多个凹坑，所述mg层位于所述凹坑中。本发明的mg层可以先在扩展层上形成凹坑，再扩散空穴，可以有效提高空穴的扩散长度，可以提高电子与空穴辐射复合效率，进而提高led的发光效率。

29、其次，本发明的凹坑为量子坑，而因金属液滴钻蚀形成的量子坑侧壁相比外延层界面(即扩展层与第二型半导体层间的界面)的in组分更低，量子坑侧壁相比外延层界面结构改变，量子坑侧壁处的界面能更低，可以促进空穴通过量子坑通道(狭长的通道)进行迁移。因此，本发明可以提升空穴的扩展能力，将空穴储存在扩展层中，并提高空穴浓度，进而提高电子与空穴辐射复合效率，提高led的发光效率。

30、而且，本发明在生长完mg层后执行原位退火工艺，可保证led外延结构的晶体质量和掺杂均匀性。