CN105405939A - 一种发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管及其制造方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，多量子阱层包括若干第一多量子阱子层和层叠在若干第一多量子阱子层上的第二多量子阱子层，第一多量子阱子层包括量子阱层和层叠在量子阱层上的量子垒层，第二多量子阱子层包括依次层叠在若干第一多量子阱子层上的量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层，第二多量子阱子层中的量子垒层和掺杂Mg的量子垒层的厚度之和等于第一多量子阱子层中的量子垒层的厚度。本发明提高了发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
半导体发光二极管具有高效节能、绿色环保的优点，在交通指示、户外全色显示、照明等领域有着广泛的应用。在发光二极管的制作材料中，GaN基材料具有禁带宽度大、电子漂移速度不易饱和、击穿场强大、介电常数小、导热性能好、耐高温、抗腐蚀等优点，因此GaN基材料是发光二极管的优良材料，应用广泛。
目前应用于生产GaN的衬底材料包括蓝宝石和碳化硅。碳化硅衬底价格昂贵，主要采用蓝宝石衬底生产发光二极管。现有的发光二极管包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
由于空穴比电子的有效质量大，迁移率低，难以有效从P型GaN层越过P型电子阻挡层注入多量子阱层，因此多量子阱层中的空穴注入效率低，影响发光二极管的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术多量子阱层中复合发光的空穴数量较少，发光二极管的发光效率较低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了发光二极管，所述发光二极管包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，所述多量子阱层包括若干第一多量子阱子层，所述第一多量子阱子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层，所述多量子阱层还包括层叠在所述若干第一多量子阱子层上的第二多量子阱子层，所述第二多量子阱子层包括依次层叠在所述若干第一多量子阱子层上的量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层，所述第二多量子阱子层中的所述量子垒层和所述掺杂Mg的量子垒层的厚度之和等于所述第一多量子阱子层中的所述量子垒层的厚度。
可选地，所述掺杂Mg的量子垒层中Mg的掺杂量为3*1019～6*1019cm3。
可选地，所述掺杂Mg的量子垒层的厚度为3～25nm。
可选地，所述N型GaN层和所述多量子阱层之间设有应力释放层，所述应力释放层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的制造方法，所述制造方法包括：
在蓝宝石衬底上生长低温缓冲层；
在所述低温缓冲层上生长高温缓冲层；
在所述高温缓冲层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱层，所述多量子阱层包括若干第一多量子阱子层和层叠在所述若干第一多量子阱子层上的第二多量子阱子层，所述第一多量子阱子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层，所述第二多量子阱子层包括依次层叠在所述若干第一多量子阱子层上的量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层，所述第二多量子阱子层中的所述量子垒层和所述掺杂Mg的量子垒层的厚度之和等于所述第一多量子阱子层中的所述量子垒层的厚度；
在所述多量子阱层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
可选地，所述掺杂Mg的量子垒层中Mg的掺杂量为3*1019～6*1019cm3。
可选地，所述掺杂Mg的量子垒层的厚度为3～25nm。
可选地，所述掺杂Mg的量子垒层的生长温度为820～920℃。
可选地，所述掺杂Mg的量子垒层的生长压力为200～400Torr。
可选地，所述制造方法还包括：
在所述N型GaN层和所述多量子阱层之间设置应力释放层，所述应力释放层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在多量子阱层的最后一层量子垒层中插入设有掺杂Mg的量子垒层，量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层、P型电子阻挡层依次设置，降低了多量子阱层与P型电子阻挡层之间的价带势垒，空穴容易注入多量子阱层中与电子复合发光，提高了发光二极管的发光效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种发光二极管的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管的制造方法的流程图；
图3是本发明实施例三提供的一种发光二极管的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管，参见图1，该发光二极管包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的低温缓冲层2、高温缓冲层3、N型GaN层3、应力释放层4、多量子阱层5、P型电子阻挡层6、P型GaN层7，多量子阱层5包括若干第一多量子阱子层51和层叠在若干第一多量子阱子层51上的第二多量子阱子层52，第一多量子阱子层51包括量子阱层51a和层叠在量子阱层51a上的量子垒层51b，第二多量子阱子层52包括依次层叠在若干第一多量子阱子层51上的量子阱层52a、量子垒层52b、掺杂Mg的量子垒层52c，第二多量子阱子层52中的量子垒层52b和掺杂Mg的量子垒层52c的厚度之和等于第一多量子阱子层51中的量子垒层51b的厚度，应力释放层4包括交替层叠的InGaN层41和GaN层42。
需要说明的是，在N型GaN层和多量子阱层之间设有应力释放层，应力释放层包括交替层叠的InGaN层和GaN层，InGaN层和GaN层的多周期结构可以释放蓝宝石衬底与GaN基材料晶格失配产生的位错，提高较好的晶格生长界面，提高多量子阱层的生长质量。
可选地，掺杂Mg的量子垒层52c中Mg的掺杂量可以为3*1019～6*1019cm3。若掺杂Mg的量子垒层52c中Mg的掺杂量小于3*1019，则无法有效降低多量子阱层与P型电子阻挡层之间的价带势垒；若掺杂Mg的量子垒层52c中Mg的掺杂量大于6*1019cm3，则容易引入较多的缺陷和晶格应力，改变多量子阱层中电子空穴的复合区域，影响发光二极管的发光效率。
可选地，掺杂Mg的量子垒层52c的厚度可以为3～25nm。若掺杂Mg的量子垒层52c的厚度小于3nm，则无法有效降低多量子阱层与P型电子阻挡层之间的价带势垒；若掺杂Mg的量子垒层52c的厚度大于25nm时，则容易引入较多的缺陷和晶格应力，改变多量子阱层中电子空穴的复合区域，影响发光二极管的发光效率。
可选地，若干第一多量子阱子层的层数可以为6～15层。通过调整若干第一多量子阱子层的层数可以调控电子空穴的复合位置和复合效率，若若干第一多量子阱子层的层数小于6层，则会造成严重的电子溢流；若若干第一多量子阱子层的层数大于15层，则对电子的阻挡效果较大，对电子的区域分布影响太大。
可选地，第一多量子阱子层中量子阱层的厚度可以为2～3nm。实验证明，第一多量子阱子层中量子阱层的厚度为2～3nm时的发光效率较高。
可选地，第一多量子阱子层中量子垒层的厚度可以为5～30nm。实验证明，第一多量子阱子层中量子垒层的厚度为5～30nm时的发光效率较高。
可选地，第二多量子阱子层中量子阱层的厚度可以为2～3nm。实验证明，第二多量子阱子层中量子阱层的厚度为2～3nm时的发光效率较高。
可选地，第二多量子阱子层中量子垒层的厚度可以为3～15nm。实验证明，第二多量子阱子层中量子垒层的厚度为5～30nm时的发光效率较高。
本发明实施例通过在多量子阱层的最后一层量子垒层中插入设有掺杂Mg的量子垒层，量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层、P型电子阻挡层依次设置，降低了多量子阱层与P型电子阻挡层之间的价带势垒，空穴容易注入多量子阱层中与电子复合发光，提高了发光二极管的发光效率。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管的制造方法，适用于制造实施例一提供的发光二极管，参见图2，该制造方法包括：
步骤201：在蓝宝石衬底上生长低温缓冲层。
步骤202：在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
步骤203：在高温缓冲层上生长N型GaN层。
步骤204：在N型GaN层上生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
步骤205：在应力释放层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层包括若干第一多量子阱子层和层叠在若干第一多量子阱子层上的第二多量子阱子层，第一多量子阱子层包括量子阱层和层叠在量子阱层上的量子垒层，第二多量子阱子层包括依次层叠在若干第一多量子阱子层上的量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层，第二多量子阱子层中的量子垒层和掺杂Mg的量子垒层的厚度之和等于第一多量子阱子层中的量子垒层的厚度。
可选地，若干第一多量子阱子层的层数可以为6～15层。
可选地，第一多量子阱子层中量子阱层的厚度可以为2～3nm。
可选地，第一多量子阱子层中量子阱层的生长温度可以为720～820℃。实验证明，第一多量子阱子层中量子阱层的生长温度为720～820℃时的发光效率较高。
可选地，第一多量子阱子层中量子阱层的生长压力可以为200～400Torr。实验证明，第一多量子阱子层中量子阱层的生长压力为200～400Torr时的发光效率较高。
可选地，第一多量子阱子层中量子垒层的厚度可以为5～30nm。
可选地，第一多量子阱子层中量子垒层的生长温度可以为820～920℃。实验证明，第一多量子阱子层中量子垒层的生长温度为820～920℃时的发光效率较高。
可选地，第一多量子阱子层中量子垒层的生长压力可以为200～400Torr。实验证明，第一多量子阱子层中量子垒层的生长压力为200～400Torr时的发光效率较高。
可选地，第二多量子阱子层中量子阱层的厚度可以为2～3nm。
可选地，第二多量子阱子层中量子阱层的生长温度可以为720～820℃。
可选地，第二多量子阱子层中量子阱层的生长压力可以为200～400Torr。
可选地，第二多量子阱子层中量子垒层的厚度可以为3～15nm。
可选地，第二多量子阱子层中量子垒层的生长温度可以为820～920℃。
可选地，第二多量子阱子层中量子垒层的生长压力可以为200～400torr。
可选地，掺杂Mg的量子垒层中Mg的掺杂量可以为3*1019～6*1019cm3。
可选地，掺杂Mg的量子垒层的厚度可以为3～25nm。
可选地，掺杂Mg的量子垒层的生长温度可以为820～920℃。
可选地，掺杂Mg的量子垒层的生长压力可以为200～400Torr。
步骤206：在掺杂Mg的量子垒层上生长P型电子阻挡层。
在本实施例中，P型电子阻挡层为P型AlGaN层。
步骤207：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
在本实施例中，P型GaN层包括P型导电层和P型接触层。其中，P型导电层用于提供空穴，P型接触层用于与P电极形成良好的欧姆接触。
需要说明的是，本实施例以高纯氢气或氮气作为载气，以三甲基镓、三甲基铝、三甲基铟和氨气分别作为镓、铝、铟、氮源，用硅烷、二茂镁分别作为N、P型掺杂剂。
本发明实施例通过在多量子阱层的最后一层量子垒层中插入设有掺杂Mg的量子垒层，量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层、P型电子阻挡层依次设置，降低了多量子阱层与P型电子阻挡层之间的价带势垒，空穴容易注入多量子阱层中与电子复合发光，提高了发光二极管的发光效率。
实施例三
参见图3，本发明实施例提供了一种发光二极管的制造方法，是实施例二提供的制造方法的具体实现，该制造方法包括：
步骤301：将蓝宝石衬底在温度为1050℃的纯氢气气氛里退火，并进行氮化处理。
步骤302：将温度下降到540℃生长25nm厚的低温缓冲层。
在本实施例中，低温缓冲层为未掺杂的GaN层。
步骤303：停止通入TMGa，将蓝宝石衬底温度升高至1040℃，对低温缓冲层进行8分钟的退火处理，并生长厚度为1μm的高温缓冲层。
在本实施例中，高温缓冲层为未掺杂的GaN层。
步骤304：生长厚度为2μm的N型GaN层。
步骤305：生长6个周期的InGaN/GaN应力释放层，InGaN层的厚度为2nm，GaN的层厚度为30nm，生长压力为300toor。
步骤306：生长8-10个周期的InGaN/GaN多量子阱层，InGaN层的厚度为2.5nm，GaN层的厚度为15nm。
步骤307：依次生长InGaN层、GaN层、掺Mg的GaN层，InGaN层的厚度为2nm，GaN层的厚度为5nm，掺Mg的GaN层为5～10nm。
步骤308：生长厚度为80nm的P型AlGaN层。
步骤309：生长厚度为0.2μm的P型GaN导电层。
步骤310：生长厚度为15nm的P型接触层。
可以理解地，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，即可得到发光二极管芯片。
本发明实施例通过在多量子阱层的最后一层量子垒层中插入设有掺杂Mg的量子垒层，量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层、P型电子阻挡层依次设置，降低了多量子阱层与P型电子阻挡层之间的价带势垒，空穴容易注入多量子阱层中与电子复合发光，提高了发光二极管的发光效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管，所述发光二极管包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型GaN层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型GaN层，所述多量子阱层包括若干第一多量子阱子层，所述第一多量子阱子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层，其特征在于，所述多量子阱层还包括层叠在所述若干第一多量子阱子层上的第二多量子阱子层，所述第二多量子阱子层包括依次层叠在所述若干第一多量子阱子层上的量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层，所述第二多量子阱子层中的所述量子垒层和所述掺杂Mg的量子垒层的厚度之和等于所述第一多量子阱子层中的所述量子垒层的厚度。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述掺杂Mg的量子垒层中Mg的掺杂量为3*1019～6*1019cm3。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，所述掺杂Mg的量子垒层的厚度为3～25nm。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，所述N型GaN层和所述多量子阱层之间设有应力释放层，所述应力释放层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
5.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在蓝宝石衬底上生长低温缓冲层；
在所述低温缓冲层上生长高温缓冲层；
在所述高温缓冲层上生长N型GaN层；
在所述N型GaN层上生长多量子阱层，所述多量子阱层包括若干第一多量子阱子层和层叠在所述若干第一多量子阱子层上的第二多量子阱子层，所述第一多量子阱子层包括量子阱层和层叠在所述量子阱层上的量子垒层，所述第二多量子阱子层包括依次层叠在所述若干第一多量子阱子层上的量子阱层、量子垒层、掺杂Mg的量子垒层，所述第二多量子阱子层中的所述量子垒层和所述掺杂Mg的量子垒层的厚度之和等于所述第一多量子阱子层中的所述量子垒层的厚度；
在所述多量子阱层上生长P型电子阻挡层；
在所述P型电子阻挡层上生长P型GaN层。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述掺杂Mg的量子垒层中Mg的掺杂量为3*1019～6*1019cm3。
7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述掺杂Mg的量子垒层的厚度为3～25nm。
8.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述掺杂Mg的量子垒层的生长温度为820～920℃。
9.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述掺杂Mg的量子垒层的生长压力为200～400Torr。
10.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：
在所述N型GaN层和所述多量子阱层之间设置应力释放层，所述应力释放层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
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