CN107658269B - 一种发光二极管的芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的芯片及其制备方法，属于半导体技术领域。所述芯片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述P型氮化镓层上设有延伸至所述N型氮化镓层的第一凹槽，所述第一凹槽内的N型氮化镓层上设有N型电极，所述P型氮化镓层上设有P型电极，所述P型氮化镓层上还设有延伸至所述多量子阱层的第二凹槽，所述第二凹槽内的多量子阱层上设有两个磁性材料层，所述两个磁性材料层相对设置，所述两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，所述P型氮化镓层夹在所述两个磁性材料层之间。本发明可以增加注入多量子阱层的空穴数量，进而增加多量子阱层内的复合发光，最终提高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的芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是利用半导体的PN结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。芯片是发光二极管的核心部分。
现有的芯片包括蓝宝石衬底以及依次层叠在蓝宝石衬底上的N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，P型氮化镓层上设有延伸至N型氮化镓层的凹槽，凹槽内的N型氮化镓层上设有N型电极，P型氮化镓层上设有P型电极。当通过P型电极和N型电极注入电流时，N型氮化镓层提供的电子和P型氮化镓层提供的空穴注入多量子阱层复合发光。
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：
P型氮化镓层是通过活化镁提供空穴，但镁的活化效率很低，因此P型氮化镓层提供的空穴数量会少于N型氮化镓层提供的电子数量。加上空穴的质量比电子大得多，迁移速度比电子慢，因此注入多量子阱层的空穴数量会明显少于电子，极大限制了多量子阱层的复合发光，导致发光二极管的发光效率较低。
发明内容
为了解决现有技术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的芯片及其制备方法。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的芯片，所述芯片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层，所述P型氮化镓层上设有延伸至所述N型氮化镓层的第一凹槽，所述第一凹槽内的N型氮化镓层上设有N型电极，所述P型氮化镓层上设有P型电极，所述P型氮化镓层上还设有延伸至所述多量子阱层的第二凹槽，所述第二凹槽内的多量子阱层上设有两个磁性材料层，所述两个磁性材料层相对设置，所述两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，所述P型氮化镓层夹在所述两个磁性材料层之间。
可选的，每个所述磁性材料层的材料采用镍、钴和铁中的至少一种。
优选地，每个所述磁性材料层中，钴的摩尔含量为0.3～0.6，镍的摩尔含量为0.2～0.4，铁的摩尔含量为0～0.5。
优选地，每个所述磁性材料层的材料还包括铬。
可选的，每个所述磁性材料层的厚度为20nm～200nm。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的芯片的制备方法，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层；
在所述P型氮化镓层上开设延伸至所述N型氮化镓层的第一凹槽；
在所述P型氮化镓层上开设延伸至所述多量子阱层的第二凹槽；
在所述第二凹槽内的多量子阱层上设置两个磁性材料层，所述两个磁性材料层相对设置，所述两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，所述P型氮化镓层夹在所述两个磁性材料层之间；
在所述第一凹槽内的N型氮化镓层上设置N型电极，在所述P型氮化镓层上设置P型电极。
可选地，所述在所述P型氮化镓层上开设延伸至所述多量子阱层的第二凹槽，包括：
采用光刻技术在所述第一凹槽内的N型氮化镓层、以及所述P型氮化镓层上除所述第二凹槽所在位置之外的区域形成光刻胶；
采用干法刻蚀技术去除没有所述光刻胶覆盖的P型氮化镓层，形成所述第二凹槽。
优选地，所述在所述第二凹槽内的多量子阱层上设置两个磁性材料层，所述两个磁性材料层相对设置，所述两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，所述P型氮化镓层夹在所述两个磁性材料层之间，包括：
将所述衬底放入磁控溅射腔，对所述磁控溅射腔进行抽真空；
对靶材进行溅射，在所述第二凹槽内的多量子阱层、以及所述光刻胶上铺设磁性材料层；
去除所述光刻胶，形成所述两个磁性材料层；
将所述衬底放入设定方向的磁场中，直到所述两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，所述设定方向与所述P型氮化镓层的层叠方向垂直。
具体地，所述对所述磁控溅射腔进行抽真空，包括：
对所述磁控溅射腔进行抽真空，所述磁控溅射腔内的本底真空度达到5mTorr～20mTorr。
具体地，所述对靶材进行溅射，包括：
采用直流电源对所述靶材进行溅射，所述靶材的溅射功率为50w～200w。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在P型氮化镓层的两侧分别设置一个磁性材料层，两个磁性材料层相对设置，且两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，从而在P型氮化镓层内形成垂直于P型氮化镓层的层叠方向的磁场，当平行于P型氮化镓层的层叠方向的电流驱动P型氮化镓层内的空穴移动时，空穴会受到洛仑磁力的作用，洛仑磁力会促进空穴的移动，使得更多的空穴能够克服阻力注入多量子阱层，从而增加注入多量子阱层的空穴数量，进而增加多量子阱层内的复合发光，最终提高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芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管的芯片的制备方法的流程图；
图3a-图3e是本发明实施例二提供的发光二极管的芯片制备过程中的结构示意图。
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的芯片，参见图1，该芯片包括衬底1以及依次层叠在衬底1上的N型氮化镓层2、多量子阱层3和P型氮化镓层4，P型氮化镓层4上设有延伸至N型氮化镓层2的第一凹槽10，第一凹槽10内的N型氮化镓层2上设有N型电极5，P型氮化镓层4上设有P型电极6。
在本实施例中，P型氮化镓层4上还设有延伸至多量子阱层3的第二凹槽20，第二凹槽20内的多量子阱层3上设有两个磁性材料层7，两个磁性材料层7相对设置，两个磁性材料层7相对的侧面为异名磁极，P型氮化镓层4夹在两个磁性材料层7之间。
本发明实施例通过在P型氮化镓层的两侧分别设置一个磁性材料层，两个磁性材料层相对设置，且两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，从而在P型氮化镓层内形成垂直于P型氮化镓层的层叠方向的磁场，当平行于P型氮化镓层的层叠方向的电流驱动P型氮化镓层内的空穴移动时，空穴会受到洛仑磁力的作用，洛仑磁力会促进空穴的移动，使得更多的空穴能够克服阻力注入多量子阱层，从而增加注入多量子阱层的空穴数量，进而增加多量子阱层内的复合发光，最终提高发光二极管的发光效率。
在实际应用中，一个磁性材料层7设置在P型氮化镓层4和第一凹槽10之间，另一个磁性材料层7与这个磁性材料层7分别位于P型氮化镓层4的两侧。
可选地，每个磁性材料层的材料可以采用镍(Ni)、钴(Co)和铁(Fe)中的至少一种。采用最普遍的磁性材料，实现成本低。
优选地，每个磁性材料层中，钴的摩尔含量可以为0.3～0.6，镍的摩尔含量可以为0.2～0.4，铁的摩尔含量可以为0～0.5。
进一步地，每个磁性材料层的材料还可以包括铬(Cr)，以使磁性材料层牢牢粘附在多量子阱层上。
更进一步地，每个磁性材料层中，铬的摩尔含量可以为钴的摩尔含量的3％～16％。
在实际应用中，每个磁性材料层的厚度与P型氮化镓层的厚度相同。具体地，每个磁性材料层的厚度可以为20nm～200nm。第二凹槽的深度等于P型氮化镓层的厚度，第一凹槽的深度等于P型氮化镓层和多量子阱层的厚度之和。
具体地，衬底为蓝宝石衬底。多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置。量子阱可以为铟镓氮层，量子垒可以为氮化镓层，也可以为铝镓氮层。
具体地，量子阱的厚度可以为2nm～3nm。
具体地，量子垒的厚度可以为9nm～20nm。
可选地，量子垒的层数与量子阱相同，量子阱的层数可以为3～15层。
可选地，N型氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm。
可选地，N型氮化镓层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3。
可选地，P型氮化镓层的厚度可以为20nm～200nm。
可选地，该芯片还可以包括层叠在蓝宝石衬底和N型氮化镓层之间的缓冲层和未掺杂氮化镓层，以缓解蓝宝石衬底和氮化镓之间的晶格失配。
具体地，缓冲层可以为氮化镓层，也可以氮化铝层。
优选地，缓冲层的厚度可以为15nm～35nm。
优选地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm。
可选地，该芯片还可以包括层叠在多量子阱层和P型氮化镓层之间的电子阻挡层，以避免电子溢流。
具体地，电子阻挡层可以为P型掺杂的AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5。
优选地，电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm。
具体地，P型电极和N型电极均可以包括依次层叠的铬(Cr)层、铂(Pt)层和金(Au)层。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管的芯片的制备方法，适用于制备实施例一提供的芯片，参见图2，该制备方法包括：
步骤101：在衬底上依次生长N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层。
图3a为步骤101执行之后芯片的结构示意图。其中，1为衬底，2为N型氮化镓层，3为多量子阱层，4为P型氮化镓层。如图3a所示，N型氮化镓层2、多量子阱层3和P型氮化镓层4依次层叠在衬底1上。
具体地，该步骤101可以包括：
采用金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic ChemicalVaporDeposition，简称：MOCVD)技术在衬底上依次生长N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层。
具体地，衬底为蓝宝石衬底。多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置。量子阱可以为铟镓氮层，量子垒可以为氮化镓层，也可以为铝镓氮层。
进一步地，量子阱的厚度可以为2nm～3nm，量子垒的厚度可以为9nm～20nm，量子垒的层数与量子阱相同，量子阱的层数可以为3～15层。N型氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm，N型氮化镓层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3。P型氮化镓层的厚度可以为105nm～500nm。
可选地，多量子阱层的生长压力可以为100torr～500torr，量子阱的生长温度可以为720℃～829℃，量子垒的生长温度可以为850℃～959℃。N型氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为100torr～500torr。P型氮化镓层中空穴提供层的生长温度可以为750℃～1080℃，生长压力可以为200torr～500torr；P型氮化镓层中欧姆接触层的生长温度可以为850℃～1050℃，生长压力可以为100torr～300torr。
可选地，该芯片还可以包括层叠在蓝宝石衬底和N型氮化镓层之间的缓冲层和未掺杂氮化镓层，以及层叠在多量子阱层和P型氮化镓层之间的电子阻挡层。其中，缓冲层和未掺杂氮化镓层可以缓解蓝宝石衬底和氮化镓之间的晶格失配，电子阻挡层可以避免电子溢流。
具体地，缓冲层可以为氮化镓层，也可以氮化铝层。电子阻挡层可以为P型掺杂的AlyGa1-yN层，0.1＜y＜0.5。
进一步地，缓冲层的厚度可以为15nm～35nm。未掺杂氮化镓层的厚度可以为1μm～5μm。电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm。
优选地，缓冲层的生长温度可以为400℃～600℃，生长压力可以为400Torr～600Torr。未掺杂氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1100℃，生长压力可以为100torr～500torr。电子阻挡层的生长温度可以为850℃～1080℃，生长压力可以为200torr～500torr。
更优选地，在生长缓冲层之前，该制备方法还可以包括：控制温度为1000℃～1200℃，将衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理，以清洁衬底的表面。进一步地，衬底采用[0001]晶向蓝宝石。在生长缓冲层之后，该制备方法还可以包括：控制温度为1000℃～1200℃，压力为400Torr～600Torr，持续时间为5分钟～10分钟，对缓冲层进行原位退火处理。在生长P型氮化镓层之后，该制备方法还可以包括：控制温度为650℃～850℃，持续时间为5分钟～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。
需要说明的是，控制温度、压力均是指控制生长芯片的反应腔中的温度、压力。在实际应用中，可以将衬底放入Veeco K465i or C4MOCVD设备中生长N型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层等。具体地，可以采用高纯氢气(H2)、或者高纯氮气(N2)、或者高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，高纯氨气(NH3)作为氮源，三甲基镓(TMGa)和三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。
步骤102：在P型氮化镓层上开设延伸至N型氮化镓层的第一凹槽。
图3b为步骤102执行之后芯片的结构示意图。其中，10为第一凹槽。如图3b所示，第一凹槽10沿芯片的层叠方向的相反方向从P型氮化镓层4延伸到N型氮化镓层2。
具体地，该步骤102可以包括：
采用光刻技术在P型氮化镓层除第一凹槽所在位置之外的区域形成光刻胶；
采用干法刻蚀技术去除没有光刻胶覆盖的P型氮化镓层，形成第一凹槽；
去除光刻胶。
步骤103：在P型氮化镓层上开设延伸至多量子阱层的第二凹槽。
图3c为步骤103执行之后芯片的结构示意图。其中，20为第二凹槽。如图3c所示，第二凹槽20沿芯片的层叠方向的相反方向从P型氮化镓层4延伸到多量子阱层3。
具体地，该步骤103可以包括：
采用光刻技术在第一凹槽内的N型氮化镓层、以及P型氮化镓层上除第二凹槽所在位置之外的区域形成光刻胶；
采用干法刻蚀技术去除没有光刻胶覆盖的P型氮化镓层，形成第二凹槽。
需要说明的是，本实施例在第二凹槽形成之后，并没有立即去除光刻胶，而是在设置磁性材料层之后再去除光刻胶(详见步骤104)，这样只需要采用一次光刻技术即可同时形成所需图形的第二凹槽和磁性材料层，相比于采用一次光刻技术形成所需图形的第二凹槽，采用另一次光刻技术形成所需图形的磁性材料层，节省了一次光刻技术，大大降低了实现成本。
步骤104：在第二凹槽内的多量子阱层上设置两个磁性材料层。
在本实施例中，两个磁性材料层相对设置，两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，P型氮化镓层夹在两个磁性材料层之间。
图3d为步骤104执行之后芯片的结构示意图。其中，7为磁性材料层。如图3d所示，两个磁性材料层7相对设置在P型氮化镓层4的两侧，且一个磁性材料层7设置在P型氮化镓层4和第一凹槽10之间。
具体地，该步骤104可以包括：
将衬底放入磁控溅射腔，对磁控溅射腔进行抽真空；
对靶材进行溅射，在第二凹槽内的多量子阱层、以及光刻胶上铺设磁性材料层；
去除光刻胶，形成两个磁性材料层；
将衬底放入设定方向的磁场中，直到两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，设定方向与P型氮化镓层的层叠方向垂直。
需要说明的是，磁性材料里面分成很多微小的区域，每一个微小的区域称为一个磁畴，每一个磁畴都有自己的磁矩(即一个微小的磁场)。一般情况下，各个磁畴的磁矩方向各不相同，磁场相互抵消，整个磁性材料对外不显示磁性。当把磁性材料放入磁场中，受外磁场的作用，各个磁畴的磁矩方向趋于一致，整个磁性材料对外显示出磁性。此时撤去外磁场，各个磁畴的磁矩方向可以继续保持下去，整个磁性材料变成了磁体。将衬底放入设定方向的磁场中就是对磁性材料进行磁化，使其变成磁体。
可选地，对磁控溅射腔进行抽真空，可以包括：
对磁控溅射腔进行抽真空，磁控溅射腔内的本底真空度达到5mTorr～20mTorr。
在具体实现中，可以向磁控溅射腔内通入流量为5～30sccm的Ar。
可选地，对靶材进行溅射，可以包括：
采用直流电源对靶材进行溅射，靶材的溅射功率为50w～200w。
可选地，在对靶材进行溅射之前，该制备方法还可以包括：
采用有机溶液和去离子水交替清洗多量子阱层的表面，
具体地，有机溶液可以为丙酮或者异丙酮。
步骤105：在第一凹槽内的N型氮化镓层上设置N型电极，在P型氮化镓层上设置P型电极。
图3e为步骤105执行之后芯片的结构示意图。其中，5为N型电极，6为P型电极。如图3e所示，N型电极5设置在N型氮化镓层2上，P型电极6设置在P型氮化镓层4上。
具体地，该步骤105可以包括：
采用光刻技术在磁性材料层、P型氮化镓层上除P型电极所在位置之外的区域、N型氮化镓层上除N型电极所在位置之外的区域上形成光刻胶；
将衬底放入磁控溅射腔，对磁控溅射腔进行抽真空；
对靶材进行溅射，在光刻胶、P型氮化镓层和N型氮化镓层上铺设电极材料层；
去除光刻胶，P型氮化镓层上的电极材料层形成P型电极，N型氮化镓层上的电极材料层形成N型电极。
进一步地，P型电极和N型电极均可以包括依次层叠的铬层、铂层和金层。
本发明实施例通过在P型氮化镓层的两侧分别设置一个磁性材料层，两个磁性材料层相对设置，且两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，从而在P型氮化镓层内形成垂直于P型氮化镓层的层叠方向的磁场，当平行于P型氮化镓层的层叠方向的电流驱动P型氮化镓层内的空穴移动时，空穴会受到洛仑磁力的作用，洛仑磁力会促进空穴的移动，使得更多的空穴能够克服阻力注入多量子阱层，从而增加注入多量子阱层的空穴数量，进而增加多量子阱层内的复合发光，最终提高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 (3)
1.一种发光二极管的芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
在衬底上依次生长N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层；
在所述P型氮化镓层上开设延伸至所述N型氮化镓层的第一凹槽；
在所述P型氮化镓层上开设延伸至所述多量子阱层的第二凹槽；
在所述第二凹槽内的多量子阱层上设置两个磁性材料层，所述两个磁性材料层相对设置，所述两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，所述P型氮化镓层夹在所述两个磁性材料层之间，一个所述磁性材料层设置在所述P型氮化镓层和所述第一凹槽之间；
在所述第一凹槽内的N型氮化镓层上设置N型电极，在所述P型氮化镓层上设置P型电极；
所述在所述P型氮化镓层上开设延伸至所述多量子阱层的第二凹槽，包括：
采用光刻技术在所述第一凹槽内的N型氮化镓层、以及所述P型氮化镓层上除所述第二凹槽所在位置之外的区域形成光刻胶；
采用干法刻蚀技术去除没有所述光刻胶覆盖的P型氮化镓层，形成所述第二凹槽；
所述在所述第二凹槽内的多量子阱层上设置两个磁性材料层，所述两个磁性材料层相对设置，所述两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，所述P型氮化镓层夹在所述两个磁性材料层之间，包括：
将所述衬底放入磁控溅射腔，对所述磁控溅射腔进行抽真空；
对靶材进行溅射，在所述第二凹槽内的多量子阱层、以及所述光刻胶上铺设磁性材料层；
去除所述光刻胶，形成所述两个磁性材料层；
将所述衬底放入设定方向的磁场中，直到所述两个磁性材料层相对的侧面为异名磁极，所述设定方向与所述P型氮化镓层的层叠方向垂直。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述磁控溅射腔进行抽真空，包括：
对所述磁控溅射腔进行抽真空，所述磁控溅射腔内的本底真空度达到5mTorr～20mTorr。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述对靶材进行溅，包括：
采用直流电源对所述靶材进行溅射，所述靶材的溅射功率为50w～200w。
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