CN106449911B - 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衬底、以及依次层叠在衬底上的第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ‑Ⅵ族半导体层、透明导电层，第二Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在第一Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置在透明导电层上。本发明通过Ⅱ‑Ⅵ族半导体层极大地提高了空穴浓度，同时透明导电层促进了电流的扩散，从而极大地提高空穴注入效率、降低LED工作电压，显著改善LED的外量子效率在大的电流注入下的衰减问题。而且还可以提高光线的透过率、以及LED的发光亮度。
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
作为目前全球最受瞩目的新一代光源，发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)具有高亮度、低热量、长寿命等优点，被称为21世纪最有发展前景的绿色照明光源。Ⅲ族氮化物基LED的发光波长涵盖了整个可见光波段，因而备受关注。
LED包括衬底、以及依次层叠在衬底上的n型Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、p型Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，p型Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至n型Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在n型Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置透明导电层上。在第二电极和第一电极通电的情况下，n型Ⅲ族氮化物半导体层中的电子、p型Ⅲ族氮化物半导体层中的空穴注入有源层复合发光。
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：
随着LED制造技术的成熟，LED向高亮度、大功率、低损耗的方向发展，要求LED在大的注入电流下保持较高的效率，但LED中空穴的浓度和迁移率均远小于电子，电子和空穴的注入效率不平衡，有源层中没有足够的空穴与电子复合，大量电子溢出有源层，形成无效的电流注入，造成LED的外量子效率在大的电流注入下随着注入电流的增加而衰减。
发明内容
为了解决现有技术外量子效率衰减的问题，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第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，所述第二Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在所述第一Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置在所述透明导电层上，所述发光二极管还包括掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层层叠在所述第二Ⅲ族氮化物半导体层和所述透明导电层之间。
可选地，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅱ族元素为Be、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba、Cd、Hg中的一种或多种，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅵ族元素为O、S、Se、Te中的一种或多种。
可选地，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中掺杂的p型掺杂剂为Ⅰ族元素或者Ⅴ族元素，所述Ⅰ族元素用于替代所述Ⅱ组元素形成空穴，所述Ⅴ族元素用于替代所述Ⅵ族元素形成空穴。
优选地，所述Ⅰ族元素为H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr中的任一种，所述Ⅴ族元素为N、P、As、Sb、Bi、Mc中的任一种。
可选地，所述透明导电层为氧化铟锡、掺镓的氧化锌、掺铝的氧化锌、石墨烯中的任一种。
可选地，所述第一Ⅲ族氮化物半导体层为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，所述第二Ⅲ族氮化物半导体层为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，所述有源层包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，所述量子阱层和所述量子垒层交替层叠，N为正整数。
可选地，所述衬底为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。
另一方面，本发明实施例提供了一种上述发光二极管的制造方法，所述制造方法包括：
在衬底上依次生长第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层；
在所述第二Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽；
在所述第二Ⅲ族氮化物半导体层上形成掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层；
在所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层上形成透明导电层；
在所述透明导电层上设置第二电极，在所述第一Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过Ⅱ-Ⅵ族半导体层极大地提高了空穴浓度，同时透明导电层促进了电流的扩散，从而极大地提高空穴注入效率、降低LED工作电压，显著改善LED的外量子效率在大的电流注入下的衰减问题。而且还可以提高光线的透过率、以及LED的发光亮度。
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，适用于显示屏、背光源、白光照明等，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上的第一Ⅲ族氮化物半导体层2、有源层3、第二Ⅲ族氮化物半导体层4、Ⅱ-Ⅵ族半导体层5、透明导电层6，第二Ⅲ族氮化物半导体层4上设有延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层2的凹槽10，第一电极7设置在第一Ⅲ族氮化物半导体层2上，第二电极8设置在透明导电层6上。
在本实施例中，Ⅱ-Ⅵ族半导体层5掺杂有p型掺杂剂。第一Ⅲ族氮化物半导体层2用于向有源层3注入电子，第二Ⅲ族氮化物半导体层4用于向有源层3注入空穴。衬底1中与层叠第一Ⅲ族氮化物半导体层2的表面相反的表面焊接在散热基板上。
具体地，第一电极7与第一Ⅲ族氮化物半导体层2电连接，第二电极8与透明导电层6电连接。
可选地，Ⅱ-Ⅵ族半导体层5中的Ⅱ族元素可以为Be、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba、Cd、Hg中的一种或多种，Ⅱ-Ⅵ族半导体层5中的Ⅵ族元素可以为O、S、Se、Te中的一种或多种。
可选地，Ⅱ-Ⅵ族半导体层5中掺杂的p型掺杂剂可以为Ⅰ族元素或者Ⅴ族元素，Ⅰ族元素用于替代Ⅱ组元素形成空穴，Ⅴ族元素用于替代Ⅵ族元素形成空穴。
可选地，Ⅰ族元素可以为H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr中的任一种，Ⅴ族元素可以为N、P、As、Sb、Bi、Mc中的任一种。
可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。
可选地，第一Ⅲ族氮化物半导体层2可以为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，有源层3可以包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，量子阱层和量子垒层交替层叠，N为正整数。
可选地，第二Ⅲ族氮化物半导体层4可以为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，透明导电层6可以为氧化铟锡(英文：Indium tin oxide，简称ITO)、掺镓的氧化锌(英文：Gallium doped Zinc Oxide，简称GZO)、掺铝的氧化锌(英文：AluminumZinc Oxide，简称AZO)、石墨烯中的任一种，具有高透光率和高导电性，有利于提高发光二极管的发光亮度。
可选地，第一电极7的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种，第二电极8的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种。
本发明实施例通过Ⅱ-Ⅵ族半导体层极大地提高了空穴浓度，同时透明导电层促进了电流的扩散，从而极大地提高空穴注入效率、降低LED工作电压，显著改善LED的外量子效率在大的电流注入下的衰减问题。而且还可以提高光线的透过率、以及LED的发光亮度。
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：在衬底上依次生长第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层。
在本实施例中，第一Ⅲ族氮化物半导体层用于向有源层注入电子，第二Ⅲ族氮化物半导体层用于向有源层注入空穴。
可选地，衬底可以为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。
可选地，第一Ⅲ族氮化物半导体层可以为掺杂有n型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
可选地，有源层可以包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，量子阱层和量子垒层交替层叠，N为正整数。
可选地，第二Ⅲ族氮化物半导体层可以为掺杂有p型掺杂剂的GaN层，或者不掺杂的GaN层。
具体地，该步骤201可以包括：
采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)技术在衬底上依次生长第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层。
步骤202：在第二Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽。
具体地，该步骤202可以包括：
采用光刻技术和等离子体刻蚀技术在第二Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至第一Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽。
步骤203：在第二Ⅲ族氮化物半导体层上形成掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层。
可选地，Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅱ族元素可以为Be、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba、Cd、Hg中的一种或多种，Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅵ族元素可以为O、S、Se、Te中的一种或多种。
可选地，Ⅱ-Ⅵ族半导体层中掺杂的p型掺杂剂可以为Ⅰ族元素或者Ⅴ族元素，Ⅰ族元素用于替代Ⅱ组元素形成空穴，Ⅴ族元素用于替代Ⅵ族元素形成空穴。
可选地，Ⅰ族元素可以为H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr中的任一种，Ⅴ族元素可以为N、P、As、Sb、Bi、Mc中的任一种。
具体地，该步骤203可以包括：
采用MOCVD技术在第二Ⅲ族氮化物半导体层上形成掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层。
步骤204：在Ⅱ-Ⅵ族半导体层上形成透明导电层。
可选地，透明导电层6可以为ITO、GZO、AZO、石墨烯中的任一种，具有高透光率和高导电性，有利于提高发光二极管的发光亮度。
具体地，该步骤204可以包括：
采用蒸镀技术在Ⅱ-Ⅵ族半导体层上形成透明导电层。
步骤205：在透明导电层上设置第二电极，在第一Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
具体地，第一电极与第一Ⅲ族氮化物半导体层电连接，第二电极与透明导电层电连接。
可选地，第一电极的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种，第二电极的材料可以采用Ti、Al、Ni、Pt、Au、Cr、Ag、Pd中的一种或多种。
具体地，该步骤205可以包括：
采用溅射技术在透明导电层上设置第二电极，在第一Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
在本实施例中，在执行步骤201-步骤205之后，将衬底中与层叠第一Ⅲ族氮化物半导体层的表面相反的表面焊接在散热基板上。
本发明实施例通过Ⅱ-Ⅵ族半导体层极大地提高了空穴浓度，同时透明导电层促进了电流的扩散，从而极大地提高空穴注入效率、降低LED工作电压，显著改善LED的外量子效率在大的电流注入下的衰减问题。而且还可以提高光线的透过率、以及LED的发光亮度。
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 (8)
1.一种发光二极管，所述发光二极管包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层、透明导电层，所述第二Ⅲ族氮化物半导体层上设有延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽，第一电极设置在所述第一Ⅲ族氮化物半导体层上，第二电极设置在所述透明导电层上，其特征在于，所述发光二极管还包括掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层层叠在所述第二Ⅲ族氮化物半导体层和所述透明导电层之间；所述第一Ⅲ族氮化物半导体层为不掺杂的GaN层，所述第二Ⅲ族氮化物半导体层为不掺杂的GaN层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅱ族元素为Be、Mg、Ca、Zn、Sr、Ba、Cd、Hg中的一种或多种，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中的Ⅵ族元素为O、S、Se、Te中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层中掺杂的p型掺杂剂为Ⅰ族元素或者Ⅴ族元素，所述Ⅰ族元素用于替代所述Ⅱ族 元素形成空穴，所述Ⅴ族元素用于替代所述Ⅵ族元素形成空穴。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述Ⅰ族元素为H、Li、Na、K、Rb、Cs、Fr中的任一种，所述Ⅴ族元素为N、P、As、Sb、Bi、Mc中的任一种。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述透明导电层为氧化铟锡、掺镓的氧化锌、掺铝的氧化锌、石墨烯中的任一种。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述有源层包括N层量子阱层和N+1层量子垒层，所述量子阱层和所述量子垒层交替层叠，N为正整数。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底或者碳化硅衬底。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
在衬底上依次生长第一Ⅲ族氮化物半导体层、有源层、第二Ⅲ族氮化物半导体层，所述第一Ⅲ族氮化物半导体层为不掺杂的GaN层，所述第二Ⅲ族氮化物半导体层为不掺杂的GaN层；
在所述第二Ⅲ族氮化物半导体层上开设延伸至所述第一Ⅲ族氮化物半导体层的凹槽；
在所述第二Ⅲ族氮化物半导体层上形成掺杂有p型掺杂剂的Ⅱ-Ⅵ族半导体层；
在所述Ⅱ-Ⅵ族半导体层上形成透明导电层；
在所述透明导电层上设置第二电极，在所述第一Ⅲ族氮化物半导体层上设置第一电极。
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