CN105702817B - 一种发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管及其制备方法，包括提供一衬底，对所述衬底表面进行清洁处理；在所述衬底表面依次生长缓冲层、N型半导体层；在所述N型半导体层表面生长量子阱层，所述发光层的生长包括：缺陷层、修复层和发光层的生长。在所述量子阱层表面生长第一P型半导体层、电子阻挡层和第二P型半导体层；本发明在改善量子阱质量的前提下增加In组分，同时采用高压低掺的第一P型层结构，极大的提高了发光二极管的发光亮度。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，特别涉及一种发光二极管及其制备方法。
背景技术
近年来，InGaN/GaN多量子阱层作为蓝绿光发光二极管有源区的研究越来越广泛而深入。而传统的LED外延结构中，通常包括缓冲层、N型层、应力释放层、发光层和P型层，所述的应力释放层仅能起到释放发光层生长应力的作用，对于发光层的发光效率的提升作用局限。
为更好解决N型层与发光层之间存在的应力对LED器件发光效率等各方面性能的影响，现有技术中多通过设置渐变结构的多量子阱层结构来增加LED器件的发光效率。如CN201300008579.1中通过在低温多量子阱层下设置In掺杂浓度渐变的低温浅量子阱层，并以含铝层作为垒层，同时也渐变掺杂铝的量。但通过该方法制备得到的LED外延层结构对LED芯片各方面性能的提高很局限，仅能起到局部提高发光效率的作用，对LED芯片的其他方面性能作用微小。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种发光二极管及其制备方法，在改善量子阱质量的前提下增加In组分，提高发光二极管的发光亮度。
本发明技术方案为：一种发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
提供一衬底，对所述衬底表面进行清洁处理；
在所述衬底表面依次生长缓冲层、N型半导体层、量子阱层、第一P型半导体层、电子阻挡层和第二P型半导体层；
所述量子阱层的生长步骤具体为，
首先调节反应腔室温度至第一温度T1，生长由In/Ga含量比为C1的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成的缺陷层；
随后调节反应腔室温度至第二温度T2，生长由In/Ga含量比为C2的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成的修复层；其中，C2＜C1；T2＞T1；
最后调节反应腔室温度至第三温度T3，生长由In/Ga含量比为C3的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成的发光层；
所述量子阱层生长结束后，采用高压条件生长第一P型掺杂层，所述生长压力为350～500mbar，所述第一P型层为低浓度掺杂层，掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017 cm-3。
优选的，所述缺陷层的第一温度T1范围为：700～780℃；所述InGaN阱层的In/Ga含量比C1为50%～80%。
优选的，所述修复层的第二温度T2范围为：780～900℃；所述InGaN阱层的In/Ga含量比C2为45%～60%。
优选的，所述发光层的第三温度T3范围为：650～850℃；所述InGaN阱层的In/Ga含量比C3为50%～60%。
优选的，所述晶格缺陷密度为5×1017cm-2～5×1018 cm-2。
优选的，所述缺陷层的总厚度为40nm～115nm，循环周期为15～25，每一周期阱层与垒层厚度比为1:2～1:5。
优选的，所述修复层的总厚度为150nm～200nm，循环周期为2～5，每一周期阱层与垒层厚度比为1:6～1:10。
优选的，所述发光层的总厚度为140nm～345nm，循环周期为8～15，每一周期阱层与垒层厚度比为1:5.5～1:10。
优选的，所述缺陷层、修复层和发光层为n型掺杂层。
优选的，所述缺陷层和修复层的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3。
优选的，所述发光层掺杂浓度为1×1017cm-3～5×1017cm-3。
本发明同时提出一种发光二极管，从下至上依次为：衬底、缓冲层、N型半导体层、量子阱层、第一P型半导体层、电子阻挡层和第二P型半导体层，所述量子阱层由缺陷层、修复层和发光层组成；其中，
所述缺陷层由In/Ga含量比为C1的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成；
所述修复层由In/Ga含量比为C2的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成，其中，C2＜C1；
所述发光层由In/Ga含量比为C3的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成；
所述量子阱层表面的所述第一P型掺杂层为低浓度掺杂层，掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017 cm-3。
本发明至少具有以下有益效果：
本发明的量子阱结构中首先采用低温和高铟镓含量比条件生长形成缺陷层，使其具有高密度“V”形晶格缺陷，较好的释放后续生长过程中应力的同时，增加电子注入效率，为后续发光层的辐射复合提供基础；
随后采用较高成长温度及低铟镓含量比，获得晶体质量优良的修复层，阻断前述缺陷层的非“V”形缺陷延伸至后续层，增加发光二极管的抗静电能力，降低漏电现象；且为后续层提供优良的生长界面；
最后在缺陷层和修复层结构之上生长形成发光层，由于缺陷层具有的高密度“V”形缺陷延伸至发光层中，为电子与空穴的复合提供了充足的基点，增加了空穴和电子有效复合几率，提升发光二极管的外量子效率，增加发光亮度。
且在此量子阱结构的基础上高压生长第一P型层，减少生长过程中碳杂质的含量，从而降低Mg在GaN材料中的活化能，提高Mg的掺杂效率，因此生长过程中可减小Mg源的通入，提升晶格质量，进一步提升发光亮度。
利用本发明获得的发光二极管，其发光亮度提升3%～6%，抗静电能力由改进之前的90%通过率提升为98%通过率（测试条件为人体模式4000V）。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为本发明具体实施方式之方法流程图。
图2为本发明具体实施方式之发光二极管示意图。
图中：100.衬底；200.缓冲层；210.低温缓冲层；220.高温缓冲层；300. N型半导体层；400.量子阱层；410.缺陷层；420.修复层；430.发光层；500. P型半导体层；510.第一P型半导体层；520.电子阻挡层；530.第二P型半导体层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参看附图1，一种发光二极管从下至上依次为：衬底100、缓冲层200、N型半导体层300、量子阱层400、P型半导体层500，其中，P型半导体层500包括第一P型半导体层510、电子阻挡层520和第二P型半导体层530；所述量子阱层400由缺陷层410、修复层420和发光层430组成。缺陷层410由In/Ga含量比C1为50%～80%的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成。修复层420由In/Ga含量比C2为45%～60%的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成，修复层420的每一周期厚度大于缺陷层410的每一周期厚度，但In/Ga含量比C2小于缺陷层410的In/Ga含量比C1。发光层430由In/Ga含量比C3为50%～60%的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成。量子阱层400表面的第一P型掺杂层510为低浓度掺杂层，掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017 cm-3。
参看图1和2为实现上述发光二极管的结构，本发明提出一种发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
提供一衬底100，对衬底100表面进行清洁处理，通常采用氢气气氛或氢气与氮气的混合气氛在1000～1200℃条件下对衬底100表面进行吹扫，去除衬底100表面氧化物杂质。
随后调节腔室温度、压力及气氛，通入镓源和氮源，生长缓冲层200，此实施例中所述缓冲层200包括低温缓冲层210和高温缓冲层220；低温缓冲层210主要为后续生长提供成核点，同时减小衬底100与后续层的晶格差异，且释放后续沉积过程中的应力，改善晶体质量。高温缓冲层220主要为后续N型半导体层300的生长提供优良的生长界面，减少晶体缺陷，提升发光二极管的电学性能。
后于腔室中通入n型杂质源，调节腔室环境生长N型半导体层300。
然后，调节腔室环境至量子阱生长所需条件，生长量子阱层400，具体为：
首先将反应腔室温度调节至第一温度T1为700～780℃，通入铟源、镓源、氮源和n型杂质源，生长由In/Ga含量比C1为50%～80%的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成的缺陷层410，循环周期为15～25，总厚度为150nm～200nm，其中每一周期中阱层与垒层的厚度比例为1:2～1:6；且阱层与垒层的生长温度相同或不同，本实施例优选同温生长。该缺陷层410中n型掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018cm-3。缺陷层410利用低温、高铟镓含量比条件生长形成，使其具有高密度“V”形及非“V”形晶格缺陷，缺陷密度高达5×1017cm-2～5×1018cm-2，较好的释放后续生长过程中的应力，且因为电子透过“V”形缺陷更容易通过GaN材料层，从而增加电子注入效率，提升发光亮度。
随后，调节反应腔室温度至第二温度T2为780～900℃，生长由In/Ga含量比C2为45%～60%的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成的修复层420，循环周期为2～5，总厚度为40nm～115nm，其中每一周期中阱层与垒层的厚度比例为1:6～1:10；且阱层与垒层的生长温度相同或不同，本实施例优选不同温生长，垒层温度与阱层温度差为80～110℃。该缺陷层掺杂浓度1×1018cm-3～5×1018cm-3。所述修复层420利用低于缺陷层的In/Ga含量比和高生长温度，使有效并入该层的In源降低，从而获得优良的晶体质量；同时，修复层420的每一周期厚度大于缺陷层410的每一周期厚度，尤其是垒层的厚度，从而更好的阻断缺陷层410中非“V”形缺陷延伸至后续层，增加发光二极管的抗静电能力，降低漏电现象；且C2＜C1，T2＞T1，进一步提升晶体质量，并为后续生长层提供优良的生长界面。
接着，调节反应腔室温度至第三温度T3为650～850℃，生长由In/Ga含量比C3为50%～60%的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成的发光层430，循环周期为8～15，总厚度为135nm～345nm，其中每一周期中阱层与垒层的厚度比例为1:5.5～1:10；且阱层与垒层的生长温度相同或不同，本实施例优选不同温生长，垒层温度与阱层温度差为80～110℃。该缺陷层掺杂浓度1×1017 cm-3～5×1017 cm-3。因为发光层430基于缺陷层410和修复层420结构之上，具有高密度“V”形缺陷，其为电子与空穴的复合提供基点，增加复合几率，提升发光亮度。
本发明中，所述量子阱结构采用具有高密度缺陷的缺陷层410配合高晶体质量的修复层420，在提升应力释放能力的同时避免影响后续发光层430的晶体质量；且利用修复层420阻断非“V”型缺陷的延伸并对“V”形缺陷侧面进行微修复，使其更利于后续电子与空穴的有效复合。随后再生长发光层430于修复层420表面，最终形成量子阱层400。本发明中修复层420和发光层430均采用厚膜结构，最低厚度分别为20nm和17nm（常规结构分别为15nm和13nm），而在常规量子阱结构中若采用此厚膜结构，则其亮度明显降低，但配合本发明生长条件，则其亮度上升3%～5%左右，且抗静电能力由之前的90%通过率提升为98%通过率（测试条件为人体模式4000V）。
最后，调节腔室条件，其中压力为350～450mbar，利用高压条件生长第一P型半导体层510；再改变压力至常规条件继续生长电子阻挡层520和第二P型半导体层530形成 P型半导体层500，最终形成发光二极管。此处使用高压条件生长第一P型半导体层510，降低了生长过程中碳杂质的含量，从而降低Mg在GaN材料中的活化能，进而提高Mg的掺杂效率，因此生长过程中可减小Mg源的通入，本发明的Mg掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017cm-3，仅为常规第一P型层Mg 掺杂浓度的1/5，极大的提升了晶体质量，减小因材料晶格质量差而产生的吸光效应，进一步提升发光亮度。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
提供一衬底，对所述衬底表面进行清洁处理；
在所述衬底表面依次生长缓冲层、N型半导体层、量子阱层、第一P型半导体层、电子阻挡层和第二P型半导体层；
其特征在于：所述量子阱层的生长步骤具体为，
首先调节反应腔室温度至第一温度T1，生长由In/Ga含量比为C1的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成的缺陷层；
随后调节反应腔室温度至第二温度T2，生长由In/Ga含量比为C2的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成的修复层；其中，C2＜C1；T2＞T1；
最后调节反应腔室温度至第三温度T3，生长由In/Ga含量比为C3的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成的发光层；
所述量子阱层生长结束后，采用高压条件生长第一P型掺杂层，所述生长压力为350～500mbar，所述第一P型层为低浓度掺杂层，掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017 cm-3。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述缺陷层的第一温度T1范围为：700～780℃；所述InGaN阱层的In/Ga含量比C1为50%～80%。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述修复层的第二温度T2范围为：780～900℃；所述InGaN阱层的In/Ga含量比C2为45%～60%。
4.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述发光层的第三温度T3范围为：650～850℃；所述InGaN阱层的In/Ga含量比C3为50%～60%。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述缺陷层形成的缺陷密度为5×1017cm-2～5×1018 cm-2。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述缺陷层的总厚度为40nm～115nm，循环周期为15～25，每一周期阱层与垒层厚度比为1:2～1:5。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述修复层的总厚度为150nm～200nm，循环周期为2～5，每一周期阱层与垒层厚度比为1:6～1:10。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述发光层的总厚度为140nm～345nm，循环周期为8～15，每一周期阱层与垒层厚度比为1:5.5～1:10。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述缺陷层、修复层和发光层均为n型掺杂层。
10.根据权利要求9所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述缺陷层和修复层的掺杂浓度为1×1018cm-3～5×1018 cm-3。
11.根据权利要求9所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述发光层掺杂浓度为1×1017 cm-3～5×1017 cm-3。
12.一种发光二极管，从下至上依次为：衬底、缓冲层、N型半导体层、量子阱层、第一P型半导体层、电子阻挡层和第二P型半导体层，其特征在于：所述量子阱层由缺陷层、修复层和发光层组成；其中，
所述缺陷层由In/Ga含量比为C1的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成；
所述修复层由In/Ga含量比为C2的InGaN阱层与GaN垒层循环层叠形成，其中，C2＜C1；
所述发光层由In/Ga含量比为C3的InGaN阱层和GaN垒层循环层叠形成；
所述量子阱层表面的所述第一P型掺杂层为低浓度掺杂层，掺杂浓度为1×1017cm-3～3×1017cm-3。
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