CN106206866A - 一种发光二极管的制造方法及发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的制造方法及发光二极管，属于半导体技术领域。所述制造方法包括：在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层；电子阻挡层包括依次生长的第一子层、第二子层、第三子层；第一子层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且各个AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化；第二子层为掺杂Mg的GaN层；第三子层为同时掺杂In和Mg的GaN层，且第三子层中In的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，第三子层中Mg的掺杂浓度保持不变。本发明整体上既能有效阻挡电子泄漏到P型层，又可以提高空穴的注入数量和注入效率，大大提高电子和空穴有效辐射复合的发光效率。
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的制造方法及发光二极管。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等。
现有的LED的制造方法包括：依次在衬底上生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层。其中，电子阻挡层为生长温度、生长压力、Al的掺杂浓度均保持不变的的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：
电子阻挡层的中Al的掺杂浓度保持不变，电子阻挡层的能阶高度也保持不变，虽然对电子阻挡由很大的帮助，但是也会阻挡空穴。由于空穴的数量和移动速率本身劣于电子，加上电子阻挡层的阻挡作用，进入到多量子阱层中与电子发生辐射复合的空穴数量减少很多，降低了LED的发光效率。
发明内容
为了解决现有技术发生辐射复合的空穴数量减少的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的制造方法及发光二极管。所述技术方案如下：
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：
在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层；
所述电子阻挡层包括依次生长的第一子层、第二子层、第三子层；所述第一子层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且各个所述AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化；所述第二子层为掺杂Mg的GaN层；所述第三子层为同时掺杂In和Mg的GaN层，且所述第三子层中In的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，所述第三子层中Mg的掺杂浓度保持不变。
可选地，所述第一子层的生长温度＜所述第三子层的生长温度＜所述第二子层的生长温度。
优选地，所述第一子层的生长温度为900～950℃，所述第二子层的生长温度为940～980℃，所述第三子层的生长温度为930～960℃。
可选地，所述第一子层的生长压力＜所述第三子层的生长压力＝所述第二子层的生长压力。
优选地，所述第一子层的生长压力为50～150torr，所述第二子层的生长压力为200～600torr，所述第三子层的生长压力为200～600torr。
可选地，所述第一子层生长时设备的转速＜所述第二子层生长时设备的转速＝所述第三子层生长时设备的转速。
优选地，所述第一子层生长时设备的转速为500～1000转，所述第二子层生长时设备的转速为1000～1200转，所述第三子层生长时设备的转速为1000～1200转。
可选地，所述第一子层的厚度＞所述第二子层的厚度，所述第一子层的厚度＞所述第三子层的厚度。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管，所述发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层；所述电子阻挡层包括依次生长的第一子层、第二子层、第三子层；所述第一子层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且各个所述AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化；所述第二子层为掺杂Mg的GaN层；所述第三子层为同时掺杂In和Mg的GaN层，且所述第三子层中In的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，所述第三子层中Mg的掺杂浓度保持不变。
可选地，所述第一子层的厚度＞所述第二子层的厚度，所述第一子层的厚度＞所述第三子层的厚度。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过先生长包括交替层叠的AlGaN层和GaN层的第一子层，AlGaN层中掺杂有Al，可以形成有效阻挡电子向P型层泄漏的势垒高度，而且各个AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，实验结果证明对不同电流密度的适用效果更优；生长在第一子层上的第二子层为掺杂Mg的GaN层，可以保证空穴有效、顺畅的通过，同时可以降低工作电压；生长在第二子层上的第三子层中掺杂有In，一方面可以降低能带，利于空穴的顺利注入，另一方面可以作为催化剂激活Mg的效率。综上所述，本发明实施例提供的电子阻挡层整体上既能有效阻挡电子泄漏到P型层，又可以提高空穴的注入数量和注入效率，大大提高电子和空穴有效辐射复合的发光效率。
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。
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，该发光二极管包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、高温缓冲层3、N型层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型层7。
在本实施例中，电子阻挡层6包括依次生长的第一子层、第二子层、第三子层。第一子层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且各个AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化。第二子层为掺杂Mg的GaN层。第三子层为同时掺杂In和Mg的GaN层，且第三子层中In的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，第三子层中Mg的掺杂浓度保持不变。
可选地，第一子层的厚度＞第二子层的厚度，第一子层的厚度＞第三子层的厚度，可以有效阻挡电子，对抗静电能力有很大帮助。
优选地，第一子层的厚度可以为100～300埃。当第一子层的厚度小于100埃时，会由于厚度太薄而影响晶体质量；当第一子层的厚度大于300埃时，会由于厚度太厚而严重影响空穴的迁移效率。
更优选地，第一子层的厚度可以为100～200埃，既可以保证好的晶体质量，又不会影响空穴的注入效率。
优选地，第二子层的厚度可以为50～200埃。当第二子层的厚度小于50埃时，会由于厚度太薄而影响Mg的掺杂效率；当第二子层的厚度大于200埃时，会由于厚度太厚而影响出光效率。
更优选地，第二子层的厚度可以为60～150埃，既不影响Mg的掺杂效率，又不影响出光效率。
优选地，第三子层的厚度可以为50～200埃。当第三子层的厚度小于50埃时，会由于厚度太薄而影响In的并入效果和Mg的掺杂效率；当第二子层的厚度大于200埃时，会由于厚度太厚而影响空穴的注入效率。
更优选地，第二子层的厚度可以为60～150埃，既保证In和Mg的掺杂量，又不影响空穴的注入效率。
在本实施例中，衬底1可以为蓝宝石衬底，低温缓冲层2和高温缓冲层3可以为GaN层，N型层4可以为N型掺杂的GaN层，多量子阱层5可以包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，P型层7可以包括P型掺杂的GaN层。
本发明实施例通过先生长包括交替层叠的AlGaN层和GaN层的第一子层，AlGaN层中掺杂有Al，可以形成有效阻挡电子向P型层泄漏的势垒高度，而且各个AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，实验结果证明对不同电流密度的适用效果更优；生长在第一子层上的第二子层为掺杂Mg的GaN层，可以保证空穴有效、顺畅的通过，同时可以降低工作电压；生长在第二子层上的第三子层中掺杂有In，一方面可以降低能带，利于空穴的顺利注入，另一方面可以作为催化剂激活Mg的效率。综上所述，本发明实施例提供的电子阻挡层整体上既能有效阻挡电子泄漏到P型层，又可以提高空穴的注入数量和注入效率，大大提高电子和空穴有效辐射复合的发光效率。
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200：对衬底进行预处理。
可选地，衬底可以为蓝宝石衬底。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的制造方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。反应室压力为100～600torr。
具体地，该步骤200可以包括：
在氢气气氛下，高温处理衬底5～6min。
其中，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200～500torr。
步骤201：在衬底上生长低温缓冲层。
具体地，低温缓冲层生长在蓝宝石的面上。
在本实施例中，低温缓冲层可以为GaN层，厚度为15～30nm。生长低温缓冲层时，反应室温度为530～560℃，反应室压力控制在200～500torr。
步骤202：在低温缓冲层上生长高温缓冲层。
在本实施例中，高温缓冲层可以为不掺杂的GaN层，厚度为2～3.5μm。生长高温缓冲层时，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200～600torr。
步骤203：在高温缓冲层上生长N型层。
在本实施例中，N型层可以为掺Si的GaN层，厚度为2～3μm。生长N型层时，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200～300torr。
步骤204：在N型层上生长多量子阱层。
在本实施例中，多量子阱层可以包括交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层。其中，InGaN量子阱层的厚度为2～3nm，GaN量子垒层的厚度为8～11nm。InGaN量子阱层的层数为11～13层，GaN量子垒层的层数为11～13层。多量子阱的厚度为130～160nm。生长多量子阱层时，反应室压力控制在200torr。生长InGaN量子阱层时，反应室温度为760～780℃。生长GaN量子垒层时，反应室温度为860～890℃。
步骤205：在多量子阱层上生长电子阻挡层。
在本实施例中，电子阻挡层6包括依次生长的第一子层、第二子层、第三子层。第一子层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且各个AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化。第二子层为掺杂Mg的GaN层。第三子层为同时掺杂In和Mg的GaN层，且第三子层中In的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，第三子层中Mg的掺杂浓度保持不变。
可选地，第一子层的生长温度＜第三子层的生长温度＜第二子层的生长温度。第一子层的生长温度最低，可以减少高温对多量子阱层的破坏，第二子层的生长温度最高，可以更好地激活Mg的效率；第三子层的生长温度低于第二子层的生长温度，可以尽可能减少In的析出，同时第三子层的生长温度高于第一子层的生长温度，不会影响Mg的激活效率。
优选地，第一子层的生长温度可以为900～950℃。当第一子层的生长温度低于900℃时，会因为温度太低而影响此层的晶体质量，进而会影响到抗静电能力；当第一子层的生长温度高于950℃时，虽然会提高晶体质量，阻挡部分V型缺陷，但会因为温度太高而破坏多量子阱层。
更优选地，第一子层的生长温度可以为910～940℃，既保证阻挡层的晶体质量也不会破坏多量子阱层。
优选地，第二子层的生长温度可以为940～980℃。当第二子层的生长温度低于940℃时，一方面不能有效提高Mg的激活效率，另一方面也起不到弥补第一子层低温生长对晶体质量的负影响；当第二子层的生长温度高于980℃时，会因为温度太高而间接破坏多量子阱层。
更优选地，第二子层的生长温度可以为940～970℃，既可提高Mg的激活效率，也不影响多量子阱层的晶体质量，还能弥补第一子层低温生长对晶体质量的负影响。
优选地，第三子层的生长温度可以为930～960℃。当第三子层的生长温度低于930℃时，虽然可以减少In的析出，也会严重影响Mg的激活效率，进而影响空穴数量和注入效率；当第三子层的生长温度高于960℃时，对In的析出影响较大，同时由于In还作为催化剂，所以也会降低Mg的激活效率。
更优选地，第三子层的生长温度可以为930～950℃，既保证Mg的激活效率，也不会过多的析出In。
具体地，第二子层中Mg的掺杂浓度可以小于第三子层中Mg的掺杂浓度。考虑到第二子层的生长温度高于第三子层的生长温度，第二子层中Mg的激活效率低于第三子层中Mg的激活效率，但由于第三子层中掺杂有In，In作为催化剂可以提高Mg的激活效率，因此可以弥补生长温度低造成的Mg的激活效率低。形成的从低到高的Mg浓度，利于空穴注入多量子阱层中。
另外，第二子层的生长温度高于第三子层的生长温度，对第三子层中的In有析出作用，造成第三子层中的In刚开始生长时的In掺杂浓度较高，生长稳定后In的掺杂浓度降低并趋于稳定。
可选地，第一子层的生长压力＜第三子层的生长压力＝第二子层的生长压力，可以减少预反应，更好地掺杂Al。
优选地，第一子层的生长压力可以为50～150torr。当第一子层的生长压力低于50torr时，会导致厚度偏薄而影响晶体质量，进而影响抗静电能力；当第一子层的生长压力高于150torr时，会因为压力高存在较强的预反应而降低Al的并入效率。
更优选地，第一子层的生长压力可以为80～150torr，既不会因为厚度偏薄而影响晶体质量，也不会由于压力太高而降低Al的并入效率。
优选地，第二子层的生长压力可以为200～600torr。当第二子层的生长压力低于200torr时，可能会导致厚度偏薄和Mg的掺杂效率的降低；当第二子层的生长压力高于600torr时，会因为长得太厚而影响空穴的有效注入速度，进而影响辐射复合效率。
更优选地，第二子层的生长压力可以为200～500torr，既可以保持适当的厚度，又不会影响空穴的注入速度。
优选地，第三子层的生长压力可以为200～600torr。当第三子层的生长压力低于200torr时，会使得厚度偏薄而影响晶体质量和In、Mg的有效掺杂；当第三子层的生长压力高于600torr时，会使得厚度相对偏厚而影响出光效率。
更优选地，第三子层的生长压力可以为200～500torr，既保证合适的厚度，又能保证Mg的掺杂效率。
可选地，第一子层生长时设备的转速＜第二子层生长时设备的转速＝第三子层生长时设备的转速，可以减少预反应，更好地掺杂Al。
优选地，第一子层生长时设备的转速可以为500～1000转。当第一子层生长时设备的转速小于500转时，会严重影响生长速率，进而影响此段的厚度；当第一子层生长时设备的转速大于1000转时，会因为转速过快引起预反应，影响Al的并入效率。
更优选地，第一子层生长时设备的转速可以为800～1000转，对生长速率和Al的并入效率都有好处。
优选地，第二子层生长时设备的转速可以为1000～1200转，既不影响生长速率，也不影响In的并入效率和Mg的激活效率。
优选地，第三子层生长时设备的转速可以为1000～1200转，既不影响生长速率，也不影响In的并入效率和Mg的激活效率。
可选地，第一子层的厚度＞第二子层的厚度，第一子层的厚度＞第三子层的厚度，可以有效阻挡电子，对抗静电能力有很大帮助。
优选地，第一子层的厚度可以为100～300埃。当第一子层的厚度小于100埃时，会由于厚度太薄而影响晶体质量；当第一子层的厚度大于300埃时，会由于厚度太厚而严重影响空穴的迁移效率。
更优选地，第一子层的厚度可以为100～200埃，既可以保证好的晶体质量，又不会影响空穴的注入效率。
优选地，第二子层的厚度可以为50～200埃。当第二子层的厚度小于50埃时，会由于厚度太薄而影响Mg的掺杂效率；当第二子层的厚度大于200埃时，会由于厚度太厚而影响出光效率。
更优选地，第二子层的厚度可以为60～150埃，既不影响Mg的掺杂效率，又不影响出光效率。
优选地，第三子层的厚度可以为50～200埃。当第三子层的厚度小于50埃时，会由于厚度太薄而影响In的并入效果和Mg的掺杂效率；当第二子层的厚度大于200埃时，会由于厚度太厚而影响空穴的注入效率。
更优选地，第二子层的厚度可以为60～150埃，既保证In和Mg的掺杂量，又不影响空穴的注入效率。
步骤206：在电子阻挡层上生长P型层。
可选地，P型层为掺杂较高浓度Mg的GaN层，其厚度为50～80nm。生长P型层时，反应室温度为940～980℃，反应室压力控制在200～600torr。
步骤207：活化P型层。
具体地，该步骤207可以包括：
在氮气气氛下，持续处理P型层20～30min。
其中，反应室温度为650～750℃。
需要说明的是，活化P型层主要是活化P型层中掺杂的Mg，使Mg活化后产生更多的空穴，避免由于不活化而导致欧姆接触差引起芯片亮度低和电压高的情况。另外，活化可以只针对P型层的表层部分。
下面分别对第一样品和第二样品在相同的工艺条件下镀110nm的ITO(Indium TinOxides，氧化铟锡金属氧化物)层，120nm的Cr/Pt/Au电极和40nm的SiO2保护层，并分别将处理后的第一样品和第二样品研磨切割成305μm*635μm(12mi*25mil)的芯粒和229μm*559μm(9mi*22mil)的芯粒。其中，第一样品是采用传统电子阻挡层生长得到的，第二样品是采用本实施例提供的发光二极管的制造方法得到的。
接着在处理后的第一样品和第二样品的相同位置各自挑选300颗晶粒，在相同的工艺条件下，封装成白光LED。采用积分球分别在驱动电流150mA和60mA条件下测试来自于第一样品的晶粒和来自于第二样品的晶粒的光电性能。
结果显示，两种来自于第二样品的晶粒与比来自于第一样品的晶粒相比，光强分别在150mA和60mA驱动电流下有明显提升，抗静电能力也有明显升高，说明本实施例提供的制造方法生长的LED晶体质量较好。
本发明实施例通过先生长包括交替层叠的AlGaN层和GaN层的第一子层，AlGaN层中掺杂有Al，可以形成有效阻挡电子向P型层泄漏的势垒高度，而且各个AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，实验结果证明对不同电流密度的适用效果更优；生长在第一子层上的第二子层为掺杂Mg的GaN层，可以保证空穴有效、顺畅的通过，同时可以降低工作电压；生长在第二子层上的第三子层中掺杂有In，一方面可以降低能带，利于空穴的顺利注入，另一方面可以作为催化剂激活Mg的效率。综上所述，本发明实施例提供的电子阻挡层整体上既能有效阻挡电子泄漏到P型层，又可以提高空穴的注入数量和注入效率，大大提高电子和空穴有效辐射复合的发光效率。
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)
1.一种发光二极管的制造方法，所述制造方法包括：
在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层；
其特征在于，所述电子阻挡层包括依次生长的第一子层、第二子层、第三子层；所述第一子层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且各个所述AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化；所述第二子层为掺杂Mg的GaN层；所述第三子层为同时掺杂In和Mg的GaN层，且所述第三子层中In的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，所述第三子层中Mg的掺杂浓度保持不变。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度＜所述第三子层的生长温度＜所述第二子层的生长温度。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长温度为900～950℃，所述第二子层的生长温度为940～980℃，所述第三子层的生长温度为930～960℃。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力＜所述第三子层的生长压力＝所述第二子层的生长压力。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的生长压力为50～150torr，所述第二子层的生长压力为200～600torr，所述第三子层的生长压力为200～600torr。
6.根据权利要求1-3任一项所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层生长时设备的转速＜所述第二子层生长时设备的转速＝所述第三子层生长时设备的转速。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层生长时设备的转速为500～1000转，所述第二子层生长时设备的转速为1000～1200转，所述第三子层生长时设备的转速为1000～1200转。
8.根据权利要求1-3任一项所述的制造方法，其特征在于，所述第一子层的厚度＞所述第二子层的厚度，所述第一子层的厚度＞所述第三子层的厚度。
9.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、N型层、多量子阱层、电子阻挡层、P型层；其特征在于，所述电子阻挡层包括依次生长的第一子层、第二子层、第三子层；所述第一子层包括交替层叠的AlGaN层和GaN层，且各个所述AlGaN层中Al的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化；所述第二子层为掺杂Mg的GaN层；所述第三子层为同时掺杂In和Mg的GaN层，且所述第三子层中In的掺杂浓度沿生长方向逐渐变化，所述第三子层中Mg的掺杂浓度保持不变。
10.根据权利要求9所述的发光二极管，其特征在于，所述第一子层的厚度＞所述第二子层的厚度，所述第一子层的厚度＞所述第三子层的厚度。
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