CN105742435A - 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，发光二极管至少包括一衬底，以及依次沉积于所述衬底上的成核层、缓冲层和外延层，其特征在于：所述缓冲层和外延层之间还插入一Al/AlGaN DBR结构，所述DBR结构由第一Al颗粒层和第一AlGaN层周期性交替层叠而成,所述第一AlGaN层沉积于第一Al颗粒层使DBR具有波浪形粗化结构。本发明于缓冲层和外延层之间插入一由第一Al颗粒层和第一AlGaN层周期性交替层叠而成的呈波浪形的DBR结构，Al颗粒层的金属反射性和波浪形的粗化结构可以进一步提高DBR结构的出光效率。同时，本发明还提供了制备方法。

Description

一种发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种具有Al/AlGaNDBR结构的发光二极管及其制备方法，以进一步提高发光二极管的发光效率。
背景技术
在氮化物发光二极管的制备中，加入分布式布拉格反射镜(DBR)可以大幅度的提高器件的发光功率。DBR是两种折射率不同材料周期交替生长的层状结构，在发光层和衬底之间，能够将射向衬底的光反射回表面或侧面，可以减少衬底对光的吸收，提高出光效率。DBR结构可直接利用MOCVD设备进行生长，无须再次加工处理，简化了器件的制作工艺。然而，为提高器件的发光效率，还需进一步优化DBR结构。
发明内容
为进一步提高发光二极管的发光效率，在其一方面，本发明公开了一种发光二极管，至少包括一衬底，以及依次沉积于所述衬底上的成核层、缓冲层和外延层，其特征在于：所述缓冲层和外延层之间还插入一Al/AlGaNDBR结构，所述DBR结构由第一Al颗粒层和第一AlGaN层周期性交替层叠而成,所述第一AlGaN层沉积于第一Al颗粒层使DBR具有波浪形粗化结构。
优选的，所述缓冲层和DBR结构之间还包括第二AlGaN层，所述第二AlGaN层的Al均匀掺杂，Al组分为30%~40%；或者，所述第二AlGaN层的Al组分从所述缓冲层一侧向所述DBR结构一侧递增渐变，所述Al组分变化范围为0.5%~40%，以减小所述缓冲层和DBR结构之间的晶格差异，以减小所述缓冲层和DBR结构之间的晶格差异。
优选的，所述第二AlGaN层和DBR结构之间还包括一第二Al颗粒层，所述第二Al颗粒层的颗粒直径大于所述第一Al颗粒层的颗粒直径，以加强所述DBR结构的波浪形图形。
优选的，所述DBR结构和外延层之间还包括第三AlGaN层，所述第三AlGaN层的Al均匀掺杂，Al组分为10%~15%；或者，所述第三AlGaN层的Al组分从所述DBR结构一侧向所述外延层一侧递减渐变，所述Al组分变化范围为0.5%~15%，以减小所述缓冲层和DBR结构之间的晶格差异。
优选的，所述第一Al颗粒层和第一AlGaN层交替层叠的周期数为15~25。
优选的，所述DBR结构的厚度范围为0.1厚度范围为0.1~0.5微米。
优选的，所述第一Al颗粒层和第一AlGaN层的厚度相同，以实现DBR的反射效果，厚度均为50~100埃。
优选的，所述第二AlGaN层和第二Al颗粒层的厚度相同，均为100~200埃。
优选的，所述第三AlGaN层的厚度为50~80埃。
优选的，所述成核层材料为低温生长的GaN,所述缓冲层材料为高温生长的非掺杂GaN。
优选的，所述衬底为平片衬底或图形化衬底，所述图形化衬底表面具有周期性排列的凸起。
优选的，所述缓冲层的厚度与凸起高度的比例为1/3~2/3。
优选的，所述外延层包括依次层叠的N型层、发光层和P型层。
优选的，所述N型层包括第一N型层和位于所述第一N型层之上的第二N型层，所述第一N型层的N型杂质掺杂浓度小于所述第二N型层的N型杂质掺杂浓度。
优选的，所述第一N型层的N型杂质掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-2，所述第二N型层的N型杂质掺杂浓度为2×1019~2.5×1019cm-2。
在其另一方面，本发明还提供了一种具有Al/AlGaNDBR结构的发光二极管的制备方法，至少包括如下步骤：
提供一衬底；
于所述衬底上依次生长成核层和缓冲层；
于所述缓冲层上生长Al/AlGaNDBR结构，所述DBR结构由第一Al颗粒层和第一AlGaN层周期性交替层叠而成,所述第一AlGaN层沉积于第一Al颗粒层使DBR结构具有波浪形粗化结构；
于所述DBR结构上生长外延层。
优选的，所述DBR结构的制备方法具体为：1）、于所述缓冲层上采用金属有机化学气相沉积法生长第一Al金属膜层；2）、高温熔融所述第一Al金属膜层形成第一Al颗粒层；3）、于所述第一Al颗粒层表面采用金属有机化学气相沉积法生长第一AlGaN层；4）、重复步骤1）~3）多次，形成具有波浪形的粗化结构的Al/AlGaNDBR结构。
优选的，所述步骤1）~3）重复15~25次，形成呈波浪形的Al/AlGaNDBR结构。
优选的，所述DBR结构的生长步骤之前还包括第二AlGaN层的生长步骤。
优选的，所述第二AlGaN层和DBR结构的生长步骤之间还包括第二Al颗粒层的生长步骤。
优选的，所述外延层的生长步骤之前还包括第三AlGaN层的生长步骤。
本发明于缓冲层和外延层之间插入一由第一Al颗粒层和第一AlGaN层周期性交替层叠而成的DBR结构，并且由于第一Al颗粒层和第一AlGaN层的层叠使DBR结构呈波浪形，其中第一Al颗粒层为金属材质，具有更高的反光性，从而提高了DBR结构的反光效果；同时具有粗化结构的波浪形DBR结构，增加了光反射点，进一步提高了DBR结构的反光效果。另外，本发明在DBR结构和缓冲层之间还插入颗粒直径大于第一Al颗粒的第二Al颗粒层和Al组分渐变的第二AlGaN层，并且在DBR结构和外延层之间也插入Al组分渐变的第三AlGaN层，从而降低了DBR结构与缓冲层和外延层的晶格差异，实现在不影响外延层的生长质量的前提下，提高了发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明之发光二极管结构示意图。
图2为图1中虚线框内的放大结构示意图。
图3为本发明之发光二极管的制备方法流程图。
图4为本发明之DBR结构的制备方法流程图一。
图5为本发明之DBR结构的制备方法流程图二。
附图标注：
10.衬底；11.凸起；20.成核层；30.缓冲层；40.DBR结构；41’；第一Al金属膜层；41.第一Al颗粒层；42.第一AlGaN层；50.外延层；51.N型层；511.第一N型层；512.第二N型层；52.发光层；53.P型层；60.第二AlGaN层；70.第二Al颗粒层；80.第三AlGaN层。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
实施例1
参看附图1，为进一步提高发光二极管的发光效率，本发明公开了一种发光二极管，包括一衬底10，以及依次沉积于衬底10上的成核层20、缓冲层30、Al/AlGaNDBR结构40和外延层50。衬底10为平片衬底或者为表面具有周期性排列的凸起11的图形化衬底，其材料可选用蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓等中的任意一种，本实施例中优选图形化蓝宝石衬底（PatternedSapphireSubstrate,PSS）。成核层20选用低温生长的GaN层，GaN呈颗粒状散布于PSS衬底10表面，为后续材料的生长提供生长点。缓冲层30采用高温生长的非掺杂的uGaN层，形成质量较好的底层结构，为后续生长质量较好的外延层50作基础。本实施例中，可以控制缓冲层30的生长条件，使位于凸起11表面的缓冲层30的厚度小于凸起11之间的缓冲层30的厚度，并且位于凸起11之间的缓冲层30的厚度小于PSS衬底10的凸起11的高度。具体为位于凸起11之间的缓冲层30的厚度L与凸起11的高度H的关系式为：L/H=1/3~2/3，本实施例优选L=1/2H。后续的DBR结构40沉积于缓冲层30表面，厚度为0.1~0.5微米，形成图形化的DBR结构40，可以提高DBR结构40对光的反射。
继续参看附图1，外延层50包括依次层叠的N型层51、发光层52和P型层53，其中N型层51还包括第一N型层511和位于其上的第二N型层512，第一N型层511的N型杂质掺杂浓度低于第二N型层512的N型杂质掺杂浓度，具体的，第一N型层511的N型杂质掺杂浓度为5×1018~1×1019cm-2，第二N型层512的N型杂质掺杂浓度为2×1019~2.5×1019cm-2。N型层51采用掺杂浓度高低分段结构，可以促进电子的横向扩展，并且靠近发光层52一侧的第二N型层512具有更高的掺杂浓度，可以为发光层52提供更高的载流子浓度，提升发光二极管的发光效率。本实施例中，优选发光二极管为氮化物发光二极管，N型层51和P型层53的材料均为GaN，N型层51为Si掺杂，提供电子；P型层53为Mg掺杂，提供空穴；发光层材料为InGaN。
参看附图2，DBR结构40具有波浪形粗化结构，其由第一Al颗粒层41和第一AlGaN层42交替层叠而成，由于第一Al颗粒层41和沉积在颗粒状的第一Al颗粒层41的第一AlGaN层42的交替层叠，使DBR结构40具有波浪形粗化结构，具有波浪形粗化结构的DBR结构40相当于对图形化的DBR结构50进行了更细微的粗化处理，从而可以进一步提高DBR结构40的反光效果。同时，与常规的AlN/AlGaNDBR结构相比较，本发明中的DBR结构40采用Al颗粒替代AlN，由于金属Al颗粒特定的颗粒特性和金属反射性，从而使DBR结构40的反光性得到了提高。为实现DBR结构40的反射效果，第一Al颗粒层41和第一AlGaN层42的厚度相同，且均为50~100埃，第一Al颗粒层41和第一AlGaN层42的交替层叠周期数为15~25，其中第一AlGaN层42的Al组分为15~25%。
继续参看附图2，为避免插入DBR结构40引起的因晶格差异较大而产生的晶格失配问题，本实施例中还在缓冲层30和DBR结构40之间插入一第二AlGaN层60，以减小缓冲层30和DBR结构40之间的晶格差异。其中，第二AlGaN层60的Al可以为均匀分布，Al组分为30%~40%；也可以渐变掺杂，具体其Al组分从缓冲层30一侧向DBR结构40一侧递增渐变，Al组分变化范围为0.5%~40%。为使DBR结构40的波浪形更明显，波浪形的粗化结构得到加强，在第二AlGaN层60和DBR结构40之间还插入一第二Al颗粒层70，其颗粒直径大于第一Al颗粒41的直径。第二AlGaN层60和第二Al颗粒层70的厚度可相同也可不同，本实施例优选两者相同，并且分别大于第一AlGaN层42和第一Al颗粒层41的厚度，均为100~200埃。为减小DBR结构40和外延层50之间的晶格差异，本实施例中，在DBR结构40和外延层50之间还插入一第三AlGaN层80。与第二AlGaN层60类似，其Al杂质可以为均匀掺杂，Al组分为10%~15%；也可以渐变掺杂，具体其Al组分从DBR结构40一侧向外延层50一侧递增渐变，Al组分变化范围为0.5%~15%，第三AlGaN层80的厚度为50~80埃。
参看附图3，为制备上述的发光二极管，本发明还提供了一种制备方法，至少包括如下步骤：
S1、提供一衬底10；
S2、于衬底10上依次生长成核层20和缓冲层30；
S3、于缓冲层30上生长第二AlGaN层60；
S4、于第二AlGaN层60上生长第二Al颗粒层70；
S5、于缓冲层30上生长Al/AlGaNDBR结构40，DBR结构40由第一Al颗粒层41和第一AlGaN层42周期性交替层叠而成,第一AlGaN层42沉积于第一Al颗粒层41使DBR结构40具有波浪形粗化结构；
S6、于DBR结构40上生长第三AlGaN层80；
S7、于第三AlGaN层80上生长外延层50。
其中，参看附图4和附图5，DBR结构40的制备方法具体为：S51、于缓冲层30上采用金属有机化学气相沉积法生长第一Al金属膜层41’；S52、高温熔融第一Al金属膜层41’形成第一Al颗粒层41；S53、于第一Al颗粒层41表面采用金属有机化学气相沉积法生长第一AlGaN层42；S54、重复步骤S51~S53多次，形成具有波浪形的粗化结构的Al/AlGaNDBR结构40。步骤S51~S53的具体重复次数为15~25次，以形成呈波浪形的Al/AlGaNDBR结构。其中，成核层20、缓冲层30、外延层50、第二AlGaN层60、生长第二Al颗粒层70、第三AlGaN层60均采用金属有机化学气相沉积法生长。
本发明于缓冲层和外延层之间插入一DBR结构，提高发光二极管对光的反射，DBR结构呈图形化，并且具有波浪形的更细微的粗化结构，从而进一步提高DBR结构的反光性，另外，DBR结构采用颗粒状的第一Al颗粒层和第一AlGaN层周期性交替层叠而成，由于Al金属的反光性以及颗粒物质对光的反射特性，DBR结构的反光性得到了进一步的提高。而本发明中，DBR结构的波浪形的粗化结构无需额外增加制作工艺，是由第一AlGaN层直接沉积于颗粒状的第一Al颗粒层表面形成，工艺简单易操作。本发明在DBR结构和缓冲层之间插入颗粒直径大于第一Al颗粒的第二Al颗粒层和Al组分渐变的第二AlGaN层，并且在DBR结构和外延层之间也插入Al组分渐变的第三AlGaN层，从而降低了DBR结构与缓冲层和外延层的晶格差异，在不影响外延层的生长质量的前提下，提高了发光二极管的发光效率。
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 (16)

1.一种发光二极管，至少包括一衬底，以及依次沉积于所述衬底上的成核层、缓冲层和外延层，其特征在于：所述缓冲层和外延层之间还插入一Al/AlGaNDBR结构，所述DBR结构由第一Al颗粒层和第一AlGaN层周期性交替层叠而成,所述第一AlGaN层沉积于第一Al颗粒层使DBR具有波浪形粗化结构。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述缓冲层和DBR结构之间还包括第二AlGaN层，以减小所述缓冲层和DBR结构之间的晶格差异。
3.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第二AlGaN层和DBR结构之间还包括一第二Al颗粒层，所述第二Al颗粒层的颗粒直径大于所述第一Al颗粒层的颗粒直径，以增强所述DBR的波浪形粗化结构的起伏程度。
4.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第二AlGaN层的Al均匀分布，Al组分为30%~40%。
5.根据权利要求2所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第二AlGaN层的Al组分从所述缓冲层一侧向所述DBR结构一侧递增渐变，所述Al组分变化范围为0.5%~40%，以减小所述缓冲层和DBR结构之间的晶格差异。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述DBR结构和外延层之间还包括第三AlGaN层，以减小所述DBR结构和外延层之间的晶格差异。
7.根据权利要求6所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第三AlGaN层的Al均匀分布，Al组分为10%~15%。
8.根据权利要求6所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第三AlGaN层的Al组分从所述DBR结构一侧向所述外延层一侧递减渐变，所述Al组分变化范围为0.5%~15%，以减小所述缓冲层和DBR结构之间的晶格差异。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第一Al颗粒层和第一AlGaN层的交替层叠周期数为15~35。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述DBR结构的厚度范围为0.1~0.5微米。
11.一种发光二极管的制备方法，至少包括如下步骤：
提供一衬底；
于所述衬底上依次生长成核层和缓冲层；
于所述缓冲层上生长Al/AlGaNDBR结构，所述DBR结构由第一Al颗粒层和第一AlGaN层周期性交替层叠而成,所述第一AlGaN层沉积于第一Al颗粒层使DBR结构具有波浪形粗化结构；
于所述DBR结构上生长外延层。
12.根据权利要求11所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述DBR结构的制备方法具体为：1）、于所述缓冲层上采用金属有机化学气相沉积法生长第一Al金属膜层；2）、高温熔融所述第一Al金属膜层形成第一Al颗粒层；3）、于所述第一Al颗粒层表面采用金属有机化学气相沉积法生长第一AlGaN层；4）、重复步骤1）~3）多次，形成具有粗化结构的波浪形Al/AlGaNDBR结构。
13.根据权利要求12所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述步骤1）~3）重复15~25次，形成呈波浪形的Al/AlGaNDBR结构。
14.根据权利要求11所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述DBR结构的生长步骤之前还包括第二AlGaN层的生长步骤。
15.根据权利要求14所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述第二AlGaN层和DBR结构的生长步骤之间还包括第二Al颗粒层的生长步骤。
16.根据权利要求11所述的一种发光二极管的制备方法，其特征在于：所述外延层的生长步骤之前还包括第三AlGaN层的生长步骤。
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