CN103560184A - 一种发光二极管的pn结及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种制造发光二极管的PN结方法，包括：获取基底材料；在基底材料上形成硅掺杂氮化物层；在硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层，其中镁掺杂金属氮化物层中金属组分含量从靠近硅掺杂氮化物层的部分到远离硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。本发明实施例的方法中，镁掺杂金属氮化物层中金属组分的含量从零开始线性增大，使得镁掺杂在镁掺杂金属氮化物层中激活效率得到很大提高，有效增加了空穴的浓度，从而提高了LED的发光强度及发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管材料领域，尤其是涉及一种发光二极管的PN结及其制造方法。
背景技术
以硅（Si）为代表的传统半导体材料已经不能满足人们对现代科学技术的各种要求。随着信息产业的逐步发展，全色显示、高密度存储、高带宽无线传输等各领域迫切的需要波长更短的LED、LD器件及功率密度更高的微波器件。以氮化镓（GaN）为代表的第三代宽禁带 
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族氮化物半导体材料就是在这这种情况下应用而生的。
GaN新型半导体材料具有大禁带宽度、高临界场强、高迁移率、高载流子饱和速率、异质结界面二维电子气浓度高等特性。由于GaN晶体很高的熔点和饱和蒸汽压，一般通过在蓝宝石异质衬底上外延生长GaN材料及器件。众所周知，GaN基LED的核心工作区域为p-n结，工作时要有足够数量的电子和空穴注入，因此对GaN材料的n型和p型掺杂控制非常重要。
n型掺杂比较简单，掺杂剂选择施主元素Si即可。p掺杂的主要掺杂剂是镁（Mg）,一般掺Mg后得到的是高阻材料，必须经过热退火后才能得到p材料。并不是掺杂Mg的浓度越高，得到的载流子浓度就越高。重掺杂会导致晶格缺陷增多，使得材料的极性发生改变。因此不能过度提高Mg的掺杂量来增加Mg的有效掺杂浓度。
在现有GaN体材料p掺杂中，GaN材料中受主元素的高激活能仍是阻碍p型掺杂的根本障碍。而在铝镓氮（AlGaN）材料中，Mg的有效掺杂更加困难，当Al组分增加时，Mg的电离能迅速增加，这将导致Mg的激活相当困难。因此，用现有技术制成的上述半导体材料制成的LED发光强度小、发光效率低。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种发光强度大、发光效率高的发光二极管的PN结及其制造方法。
本发明实施例公开的技术方案包括：
一种制造发光二极管的PN结方法，其特征在于，包括：获取基底材料；在所述基底材料上形成硅掺杂氮化物层；在所述硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层，其中所述镁掺杂金属氮化物层中金属组分含量从靠近所述硅掺杂氮化物层的部分到远离所述硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。
本发明一个实施例中，所述基底材料包括蓝宝石、碳化硅或者金刚石。
本发明一个实施例中，所述在所述基底材料上形成硅掺杂氮化物层的步骤包括：使用金属有机化学气相沉积法或者分子束外延生长法在所述基底材料上形成硅掺杂氮化物层。
本发明一个实施例中，所述硅掺杂氮化物层为半绝缘氮面极化[0001]晶向。
本发明一个实施例中，所述在所述硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层的步骤包括：将形成了所述硅掺杂氮化物层的所述基底材料放置于分子束外延生长仪中；向所述分子束外延生长仪中通入金属分子束、氮等离子体和镁分子束，使所述金属分子束的流量从零开始线性增加，并且使所述镁分子束的流量保持不变。
本发明一个实施例中，所述硅掺杂氮化物层为硅掺杂氮化镓层。
本发明一个实施例中，所述镁掺杂金属氮化物层为镁掺杂铝镓氮层。
本发明一个实施例中，所述在所述硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层的步骤包括：将形成了所述硅掺杂氮化物层的所述基底材料放置于分子束外延生长仪中；向所述分子束外延生长仪中通入铝分子束、镓分子束、氮等离子体和镁分子束，使所述铝分子束的流量从零开始线性增加，并且使所述镁分子束的流量保持不变。
本发明的实施例中还提供了一种发光二极管的PN结，其特征在于，包括：基底材料；硅掺杂氮化物层，所述硅掺杂氮化物层形成在所述基底材料上；镁掺杂金属氮化物层，所述镁掺杂金属氮化物层形成在在所述硅掺杂氮化物层上，其中所述镁掺杂金属氮化物层中金属组分含量从靠近所述硅掺杂氮化物层的部分到远离所述硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。
本发明的实施例中还提供了一种发光二极管的PN结，其特征在于，包括：基底材料；硅掺杂氮化镓层，所述硅掺杂氮化镓层形成在所述基底材料上；镁掺杂铝镓氮层，所述镁掺杂铝镓氮层形成在所述硅掺杂氮化镓层上，其中所述镁掺杂铝镓氮层中铝组分含量从靠近所述硅掺杂氮化镓层的部分到远离所述硅掺杂氮化镓的部分从零开始线性增加。
本发明实施例的方法中，镁掺杂金属氮化物层（例如，镁掺杂铝镓氮层）中金属（例如，铝）组分的含量从零开始线性增大，使得镁掺杂在镁掺杂金属氮化物层（例如，镁掺杂铝镓氮层）中激活效率得到很大提高，有效增加了镁掺杂金属氮化物层（例如，镁掺杂铝镓氮层）中空穴的浓度，从而提高了LED的发光强度及发光效率。此方法工艺简单，可重复性好，为提高基于氮化镓基异质结LED性能提供了可能性。
附图说明
图1是本发明一个实施例的制造发光二极管的PN结方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一个实施例中，一种制造发光二极管的PN结的方法包括步骤10、步骤12和步骤16。
步骤10：获取基底材料。
本发明的实施例中，首先获取用于制造发光二极管的PN结的基底材料。本发明的实施例中，可以使用任何适合的材料作为基底材料。例如，一个实施例中，可以使用蓝宝石、金刚石或者碳化硅作为基底材料。
本步骤中，还可以包括清洗步骤，对基底材料进行清洗。清洗步骤可以包括：依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗基底材料半小时左右，然后在真空腔中放置半小时，将基底材料烘干。
步骤12：在基底材料上形成硅掺杂氮化物层。
本发明的实施例中，在获得基底材料之后，在基底材料上形成一定厚度的硅掺杂氮化物层。本发明的实施例中，可以使用任何适合的方法在基底材料上形成该硅掺杂氮化物层，例如，一个实施例中，可以使用分子束外延生长方法、金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）等等。硅掺杂氮化物层的厚度可以根据实际情况设定。
本发明的实施例中，该硅掺杂氮化物层可以是半绝缘氮面极化[0001]晶向。
本发明的一个实施例中，该硅掺杂氮化物层可以是硅掺杂氮化镓层。
步骤16：在硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层。
本发明的实施例中，在基底材料上形成了硅掺杂氮化物层之后，在步骤16中，在该硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层，并且使该镁掺杂金属氮化物层中的金属组分的含量从靠近硅掺杂氮化物层的部分到远离硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。
本发明的实施例中，可以使用分子束外延生长的方法形成该镁掺杂金属氮化物层。例如，一个实施例中，形成该镁掺杂金属氮化物层的步骤包括：
将形成了硅掺杂氮化镓层的基底材料放置于分子束外延生长仪中；
向分子束外延生长仪中通入金属分子束、氮等离子体和镁分子束，使金属分子束的流量从零开始线性增加，并且使镁分子束的流量保持不变。
这样，即在硅掺杂氮化物层上生长形成了镁掺杂金属氮化物层，并且由于金属分子束的流量从零开始线性增加，所以形成的镁掺杂金属氮化物层中金属组分的含量从靠近硅掺杂氮化物层的部分到远离硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。
本发明的实施例中，这里的镁掺杂金属氮化物层可以是镁掺杂铝镓氮层。因此，此时，一个实施例中，形成该镁掺杂金属氮化物层的步骤可以包括：
将形成了硅掺杂氮化镓层的基底材料放置于分子束外延生长仪中；
向分子束外延生长仪中通入铝分子束、镓分子束、氮等离子体和镁分子束，使铝分子束的流量从零开始线性增加，并且使镁分子束的流量保持不变。
这样，即在硅掺杂氮化物层（例如，硅掺杂氮化镓层）上生长形成了镁掺杂金属氮化物层，并且由于铝分子束的流量从零开始线性增加，所以形成的镁掺杂铝镓氮层中金属组分的含量从靠近硅掺杂氮化物层的部分到远离硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。这样可避免硅掺杂氮化物层（例如，硅掺杂氮化镓层）与镁掺杂铝镓氮层之间的晶格错位。
通常所形成的铝镓氮可以表示为AlxGa1-xN，这里的“x”即表示铝镓氮中铝的组分含量，相应地“1-x”即为镓的组分含量。本发明的实施例的镁掺杂铝镓氮层中，从靠近硅掺杂氮化物层（例如，硅掺杂氮化镓层）的部分到远离硅掺杂氮化物层（例如，硅掺杂氮化镓层）部分x的值从零开始线性增加，相应地，1-x的值线性减小。
本发明的实施例中，镁掺杂剂可以是二茂镁。
因此，相应地，本发明的实施例中还提供了一种发光二极管的PN结，该发光二极管的PN结包括：
基底材料；
硅掺杂氮化物层（例如，硅掺杂氮化镓层），该硅掺杂氮化物层形成在基底材料上；
镁掺杂金属氮化物层，该镁掺杂金属氮化物层形成在在硅掺杂氮化物层上，并且其中该镁掺杂金属氮化物层中金属组分含量从靠近硅掺杂氮化物层的部分到远离硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。
类似地，本发明的实施例中还提供了一种发光二极管的PN结，该发光二极管的PN结包括：
基底材料；
硅掺杂氮化镓层（例如，硅掺杂氮化镓层），该硅掺杂氮化镓层形成在基底材料上；
镁掺杂铝镓氮层，该镁掺杂铝镓氮层形成在硅掺杂氮化镓层上，并且其中该镁掺杂铝镓氮层中铝组分含量从靠近硅掺杂氮化镓层的部分到远离硅掺杂氮化镓的部分从零开始线性增加。
本发明实施例的方法中，镁掺杂金属氮化物层（例如，镁掺杂铝镓氮层）中金属（例如，铝）组分的含量从零开始线性增大，使得镁掺杂在镁掺杂金属氮化物层（例如，镁掺杂铝镓氮层）中激活效率得到很大提高，有效增加了镁掺杂金属氮化物层（例如，镁掺杂铝镓氮层）中空穴的浓度，从而提高了LED的发光强度及发光效率。此方法工艺简单，可重复性好，为提高基于氮化镓基异质结LED性能提供了可能性。
本发明的实施例中，通过改变p型铝镓氮层中铝组分的含量，使得镁掺杂在p型铝镓氮中激活效率得到很大提高，有效增加了p型铝镓氮层中空穴的浓度，从而提高了LED的发光强度及发光效率。
以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。此外，以上多处所述的“一个实施例”表示不同的实施例，当然也可以将其全部或部分结合在一个实施例中。
Claims (10)
1.一种制造发光二极管的PN结方法，其特征在于，包括：
获取基底材料；
在所述基底材料上形成硅掺杂氮化物层；
在所述硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层，其中所述镁掺杂金属氮化物层中金属组分含量从靠近所述硅掺杂氮化物层的部分到远离所述硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底材料包括蓝宝石、碳化硅或者金刚石。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述基底材料上形成硅掺杂氮化物层的步骤包括：使用金属有机化学气相沉积法或者分子束外延生长法在所述基底材料上形成硅掺杂氮化物层。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅掺杂氮化物层为半绝缘氮面极化[0001]晶向。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层的步骤包括：
将形成了所述硅掺杂氮化物层的所述基底材料放置于分子束外延生长仪中；
向所述分子束外延生长仪中通入金属分子束、氮等离子体和镁分子束，使所述金属分子束的流量从零开始线性增加，并且使所述镁分子束的流量保持不变。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于：所述硅掺杂氮化物层为硅掺杂氮化镓层。
7.如权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于：所述镁掺杂金属氮化物层为镁掺杂铝镓氮层。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述硅掺杂氮化物层上形成镁掺杂金属氮化物层的步骤包括：
将形成了所述硅掺杂氮化物层的所述基底材料放置于分子束外延生长仪中；
向所述分子束外延生长仪中通入铝分子束、镓分子束、氮等离子体和镁分子束，使所述铝分子束的流量从零开始线性增加，并且使所述镁分子束的流量保持不变。
9.一种发光二极管的PN结，其特征在于，包括：
基底材料；
硅掺杂氮化物层，所述硅掺杂氮化物层形成在所述基底材料上；
镁掺杂金属氮化物层，所述镁掺杂金属氮化物层形成在在所述硅掺杂氮化物层上，其中所述镁掺杂金属氮化物层中金属组分含量从靠近所述硅掺杂氮化物层的部分到远离所述硅掺杂氮化物层的部分从零开始线性增加。
10.一种发光二极管的PN结，其特征在于，包括：
基底材料；
硅掺杂氮化镓层，所述硅掺杂氮化镓层形成在所述基底材料上；
镁掺杂铝镓氮层，所述镁掺杂铝镓氮层形成在所述硅掺杂氮化镓层上，其中所述镁掺杂铝镓氮层中铝组分含量从靠近所述硅掺杂氮化镓层的部分到远离所述硅掺杂氮化镓的部分从零开始线性增加。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140205 |