CN105185879B - 一种三维掺杂的氮化物发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三维掺杂的氮化物发光二极管及其制作方法，包括：衬底、N型氮化物、多量子阱、电子阻挡层以及P型氮化物，其特征在于：所述P型氮化物采用三维掺杂，通过先外延生长三维纳米锥并将其侧壁蚀刻成纳米凹坑，然后对侧壁进行高浓度的Mg掺杂，增大Mg掺杂的界面面积和掺杂效率，再进行二维生长使三维的氮化物纳米锥合并，重复性地周期生长P型氮化物，形成周期性的三维纳米Mg掺杂界面，相比于传统的二维掺杂，三维纳米可有效提升Mg的掺杂和离化效率，提升发光二极管的发光效率和强度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，特别是一种三维掺杂的氮化物发光二极管及其制作方法。
背景技术
现今，发光二极管（LED），特别是氮化物发光二极管因其较高的发光效率，在普通照明领域已取得广泛的应用。但由于氮化物本身的问题，P型掺杂一直是困扰氮化物发展的难题。虽然目前采用热退火可有效改善Mg掺杂的活化效率，但与电子浓度相比，空穴的有效数量仍不够，导致发光二极管产生亮度偏低、efficiency droop等问题。如图1所示，传统的氮化物发光二极管P型掺杂一般采用二维的掺杂方法，掺杂效率较低，Mg活化效率较低。
鉴于现有技术的氮化物发光二极管难以获得高的Mg掺杂，因此有必出一种新的三维掺杂的氮化物发光二极管及其制作方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种三维掺杂的氮化物发光二极管及其制作方法，P型氮化物采用三维掺杂，通过外延生长三维氮化物纳米锥并将其侧壁蚀刻成纳米凹坑，然后对侧壁进行高浓度的Mg掺杂，可有效增加Mg掺杂的界面面积和掺杂效率，相比于传统的二维掺杂，采用三维纳米可有效提升Mg的掺杂和离化效率，提升发光二极管的发光效率和强度。
根据本发明的第一方面，一种三维掺杂的氮化物发光二极管，从下至上依次包括：衬底、N型氮化物、多量子阱、电子阻挡层以及P型氮化物，其特征在于：P型氮化物采用三维掺杂，通过先外延生长三维纳米锥并将其侧壁蚀刻成纳米凹坑，然后对侧壁进行高浓度的Mg掺杂，增大Mg掺杂的界面面积和掺杂效率，再进行二维生长使三维纳米锥合并，重复性地周期生长P型氮化物，形成周期性的三维纳米Mg掺杂界面。
进一步地，所述衬底为蓝宝石或碳化硅或硅或氮化镓或氮化铝或氧化锌等适合外延生长的衬底。
进一步地，所述三维纳米锥的尺寸为10nm~1000nm。
进一步地，所述纳米凹坑为球状或半球状或三角状或六角状等，尺寸为5nm~500nm。
根据本发明的第二方面，一种三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法，包含以下步骤：（1）在衬底上依次外延生长N型氮化物、多量子阱以及电子阻挡层的外延结构；（2）制作Al纳米颗粒的籽晶；（3）生长三维的氮化物纳米锥；（4）在三维的氮化物纳米锥侧壁蚀刻成纳米凹坑，提升侧壁Mg掺杂的有效面积；（5）对三维的氮化物纳米锥侧壁进行高浓度的Mg掺杂，形成三维纳米Mg掺杂界面；（6）二维生长合并三维的氮化物纳米锥，生长表面平整的P型氮化物；（7）重复步骤（2）~（6），周期为N次（N≥1），制作三维掺杂的氮化物发光二极管。
进一步地，所述步骤（2）包括：先将生长温度升至900~1200℃，优选1100℃，压强控制在50~200Torr，优选100Torr，通入TMAl和N2，沉积一厚度为10~1000nm的Al原子，优选100nm，然后，关闭TMAl，并将温度升至1200~1500℃，优选1300℃，使表面的Al弛豫退火，形成Al纳米颗粒，其尺寸为1nm~500nm，优选50nm。
进一步地，所述步骤（3）包括：先将生长温度降至900~1200℃，优选1100℃，压强升至500~700Torr，优选500Torr，通入TMGa、NH3、N2和Cp2Mg，外延生长掺Mg的三维纳米锥。
进一步地，所述步骤（4）包括：先关闭TMGa、NH3、N2和Cp2Mg，将反应室的压强降至50~200Torr，优选100Torr，生长温度升至1200~1500℃，优选1300℃，并通入H2，将三维纳米锥的侧壁蚀刻成纳米凹坑。
进一步地，所述步骤（5）包括：先关闭TMGa、NH3、N2和H2，将反应室的压强降至50~200Torr，优选100Torr，生长温度降至900~1200℃，优选1100℃，并通入Cp2Mg和N2，在三维纳米锥的侧壁进行高浓度的Mg掺杂。
进一步地，所述步骤（6）包括：将生长温度控制在900~1200℃，优选1100℃，压强控制在50~200Torr，优选100Torr，通入TMGa、NH3和N2，二维生长合并纳米锥，生长表面平整的P型氮化物。
进一步地，所述步骤（7）重复步骤（2）~（6）的周期N次（N≥1），从而制作三维掺杂的氮化物发光二极管。
附图说明
图1为传统的二维掺杂的氮化物发光二极管的结构示意图。
图2为本发明实施例1的三维掺杂的氮化物发光二极管的结构示意图。
图3为本发明实施例2的三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法示意图。
图4~图9为本发明实施例2的三维掺杂的氮化物发光二极管的制作流程示意图。
图示说明：100，200：衬底；101，201：缓冲层；102，202：N型氮化物；103，203：多量子阱；104，204：电子阻挡层；105：二维掺杂的P型氮化物；105d：Mg掺杂；205：三维掺杂的P型氮化物；205a：Al纳米颗粒的籽晶；205b：三维的氮化物纳米锥；205c：纳米凹坑；205d：Mg掺杂。
具体实施方式
实施例1
本实施例提出的三维掺杂的氮化物发光二极管结构，如图2所示，从下至上依次包括：衬底200、缓冲层201、N型氮化物202、多量子阱203、电子阻挡层204以及三维掺杂的P型氮化物205。
具体来说，衬底200可以选择蓝宝石或碳化硅或硅或氮化镓或氮化铝或氧化锌等适合外延生长的衬底，本实施例优选蓝宝石。
其中P型氮化物采用三维掺杂，通过先外延生长尺寸为10nm~1000nm的三维的氮化物纳米锥205b，并将其侧壁蚀刻成尺寸为5nm~500nm的半球状纳米凹坑205c，然后对侧壁进行高浓度的Mg掺杂205d，增大Mg掺杂的界面面积和掺杂效率，再进行二维生长使三维纳米锥合并，重复性地周期生长P型氮化物，形成周期性的三维纳米Mg掺杂界面。相比于传统的二维掺杂，采用三维纳米可有效提升Mg的掺杂和离化效率，提升发光二极管的发光效率和强度。
实施例2
本实施例所提出的三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法，包含以下工艺步骤：（1）采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在衬底上依次外延生长缓冲层、N型氮化物、多量子阱、电子阻挡层的外延结构；（2）在前述外延结构上制作Al纳米颗粒的籽晶；（3）生长三维的氮化物纳米锥；（4）在三维的氮化物纳米锥侧壁蚀刻成纳米凹坑，提升侧壁Mg掺杂的有效面积；（5）对三维的氮化物纳米锥侧壁进行高浓度的Mg掺杂，形成三维纳米Mg掺杂界面；（6）二维生长合并三维的氮化物纳米锥，生长表面平整的P型氮化物；（7）重复步骤（2）~（6），周期为N次（N≥1），制作三维掺杂的氮化物发光二极管。
如图3所示，其中三维掺杂包含步骤（2）~（6），并进行周期性地重复N次(N≥1)。
首先，步聚（2）制作Al纳米颗粒的籽晶205a，如图4所示，先将MOCVD反应室温度升至1100℃，压强控制在100Torr，通入TMAl和N2，沉积一厚度为100nm的Al原子，然后，关闭TMAl，并将生长温度升至1300℃，使表面的Al弛豫退火，形成Al纳米颗粒，其尺寸为50nm。
然后，步骤（3）生长三维的氮化物纳米锥205b，如图5所示，先将生长温度降至1100℃，压强升至500Torr，往反应室通入TMGa、NH3、N2和Cp2Mg，外延生长Mg掺杂的三维纳米锥。
接着，步骤（4）在三维的氮化物纳米锥侧壁采用氢气蚀刻纳米凹坑205c，如图6所示，先关闭TMGa、NH3、N2和Cp2Mg，将反应室的压强降至100Torr，生长温度升至1300℃，并往反应室通入H2，将三维纳米锥的侧壁蚀刻成半球状的凹坑。
然后，步骤（5）在三维的氮化物纳米锥侧壁进行高浓度的Mg掺杂205d，如图7所示，关闭TMGa、NH3、N2和H2，将反应室的压强降至100Torr，生长温度降至1100℃，并往反应室通入Cp2Mg和N2，在三维纳米锥的侧壁进行高浓度的Mg掺杂，形成三维纳米Mg掺杂界面。
最后，步骤（6）~（7）二维生长合并三维的氮化物纳米锥，生长表面平整的P型氮化物，如图8所示，先将反应室的温度控制在1100℃，压强控制在100Torr，通入TMGa、NH3和N2，二维生长合并纳米锥，并周期性地生长N次（N≥1），生长表面平整的P型氮化物，如图9所示。需要说明的是，更优地，在二维生长中，亦可对P型氮化物进行Mg掺杂，从而获得更高浓度的Mg掺杂。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。
Claims (10)
1.一种三维掺杂的氮化物发光二极管，从下至上依次包括：衬底、N型氮化物、多量子阱、电子阻挡层以及P型氮化物，其特征在于：所述P型氮化物采用三维掺杂，通过先外延生长三维纳米锥并将其侧壁蚀刻成纳米凹坑，然后对侧壁进行高浓度的Mg掺杂，增大Mg掺杂的界面面积和掺杂效率，再进行二维生长使三维纳米锥合并，重复性地周期生长P型氮化物，形成周期性的三维纳米Mg掺杂界面。
2.根据权利要求1所述的一种三维掺杂的氮化物发光二极管，其特征在于：所述三维纳米锥的尺寸为10nm~1000nm。
3.根据权利要求1所述的一种三维掺杂的氮化物发光二极管，其特征在于：所述纳米凹坑为球状或半球状或三角状或六角状。
4.根据权利要求1所述的一种三维掺杂的氮化物发光二极管，其特征在于：所述纳米凹坑的尺寸为5nm~500nm。
5.一种三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法，包含以下工艺步骤：（1）在衬底上依次外延生长N型氮化物、多量子阱以及电子阻挡层的外延结构；（2）制作Al纳米颗粒的籽晶；（3）生长三维的氮化物纳米锥；（4）在三维的氮化物纳米锥侧壁蚀刻成纳米凹坑，提升侧壁Mg掺杂的有效面积；（5）对三维的氮化物纳米锥侧壁进行高浓度的Mg掺杂；（6）二维生长合并三维的氮化物纳米锥，生长表面平整的P型氮化物；（7）重复步骤（2）~（6），周期为N次，其中N≥1，制作三维掺杂的氮化物发光二极管。
6.根据权利要求5所述的一种三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）包括：先将生长温度升至900~1200℃，压强控制在50~200Torr，通入TMAl和N2，沉积一厚度为10~100nm的Al原子，然后关闭TMAl，并将生长温度升至1200~1500℃，使表面的Al弛豫退火，形成Al纳米颗粒，其尺寸为1nm~500nm。
7.根据权利要求5所述的一种三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）包括：先将生长温度降至900~1200℃，压强升至500~700Torr，通入TMGa、NH3、N2和Cp2Mg，外延生长Mg掺杂的三维纳米锥。
8.根据权利要求5所述的一种三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）包括：先关闭TMGa、NH3、N2和Cp2Mg，将压强降至50~200Torr，生长温度升至1200~1500℃，并通入H2，将三维的纳米锥侧壁蚀刻成纳米凹坑。
9.根据权利要求5所述的一种三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（5）包括：先关闭TMGa、NH3、N2和H2，将压强降至50~200Torr，生长温度降至900~1200℃，并通入Cp2Mg和N2，在三维纳米锥的侧壁进行高浓度的Mg掺杂。
10.根据权利要求5所述的一种三维掺杂的氮化物发光二极管的制作方法，其特征在于：所述步骤（6）包括：将生长温度控制在900~1200℃，压强控制在50~200Torr，通入TMGa、NH3和N2，二维生长合并纳米锥，生长表面平整的P型氮化物。
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