CN109638129A - 发光二极管外延结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种发光二极管外延结构的制备方法，所述方法包括，提供一衬底，其中所述衬底上设有第一电极；在所述衬底上形成N型半导体层；在所述N型半导体层上形成发光层；在所述发光层上形成P型半导体层；在所述P型半导体层上形成P型接触层；其中所述P型接触层的生长速率小于0.35um/h，且厚度小于等于并具有镁的掺杂浓度大于等于1.00E+20atoms/cm3。利用本发明，可有效改善器件冷热比性能，提高器件的光电效应，获得光电性能良好的发光二极管。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体技术领域，特别是涉及发光二极管外延结构的制备方法。
背景技术
目前，发光二极管(LED)由于其寿命长、耗电少、光效高、易于控制和绿色环保等特点，正逐步应用于道路照明、办公照明、家居照明、工业照明、农业照明等领域，赢得了广泛的市场。
发光二极管(Light Emitting Diode-LED)可以直接把电能转化为光能，其发光原理在于：LED芯片由两部分组成一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一部分是N型半导体，在它里面电子占主导地位。当这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个芯片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。
当芯片在不同温度下点亮，稳定工作条件下LED的光通量与芯片在常温脉点亮下的光通量比值叫做冷热比，所谓光通量是指在单位时间内LED发出的光亮，因此冷热比实际上是表明LED在热态下的光通量保持的能力，当冷热比等于1时，表明LED在热态下的光通量保持能力最好，即热态小光通量没衰减，LED发出的光量不变。
通常来说，影响LED冷热比性能的因素是多方面的，比如封装支架的散热能力、封装工艺、芯片的导热性能、结温等，但是决定冷热比的核心问题在于P-N结的结温。结温就是LEDP-N结的温度，用来表示LED的温度，结温升高导致光通量降低，并且光通量衰减和温度升高成反比状态，因此结温过高是光通量衰减的重要原因。
实质上，LED结温的原因是因为所加入的电能并没有全部转化成光能，而是一部分转化成为热能，一般来说LED的电光转换效率大约只有30％-40％左右，也就是说大约有60％左右的电能都变成了热能，因此想要提高LED光通量，改善结温就成了首当其冲的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种发光二极管外延结构的制备方法，用于解决现有技术中发光二极管光通量衰减的技术问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种发光二极管外延结构的制备方法，所述方法包括：
提供一衬底，所述衬底上设有第一电极；
在所述衬底上形成N型半导体层；
在所述N型半导体层上形成发光层；
在所述发光层上形成P型半导体层；
在所述P型半导体层上形成P型接触层，所述P型接触层的生长速率小于0.35um/h，且厚度小于等于并具有镁的掺杂浓度大于等于1.00E+20atoms/cm3；
可选地，在所述衬底和所述N型半导体层之间依次形成3D生长层、2D生长层，所述N型半导体层的材料包括氮化镓。
可选地，所述P型半导体层包括低温P型GaN层，P型AlGaN层以及高温PlnxGa1-xN层。
可选地，其中所述高温PlnxGa1-xN层中的x取值范围为0<X<0.4,所述P型GaN层厚度为10-100nm，所述P型AlGaN层厚度为10-50nm，所述高温PlnxGa1-xN层厚度为10-100nm。
可选地，所述P型接触层镁的掺杂方式为渐变掺杂。
可选地，所述P型接触层镁的掺杂步骤包括：逐渐升高所述镁的掺杂浓度，以及呈等斜率地下降所述镁的掺杂浓度。
可选地，当在所述P型半导体层上形成所述P型接触层时，所述P型接触层的厚度通过所述P型接触层中三乙基镓的生长速率控制。
可选地，所述P型接触层厚度值小于等于且三乙基镓生长速率最慢时，镁的掺杂浓度最高。
如上所述，本发明的发光二极管外延结构及其制备方法，具有以下有益效果：
利用本发明，优化发光二极管外延结构P型接触层的高掺杂，通过在P型接触层进行镁的高掺杂，从而改善结温，使电阻率大大下降，电导率上升，不仅制备方法简单，而且可有效改善器件冷热比性能，提高器件的光电效应，获得光电性能良好的发光二极管。
附图说明
图1显示为本发明的发光二极管外延结构制备方法流程图。
图2显示为本发明的发光二极管外延结构的示意图。
图3显示为本发明具体实施例发光二极管外延结构制备方法流程图。
图4显示为本发明P型半导体层的结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种发光二极管外延结构及其制备方法，所述发光二极管结构制备方法包括以下步骤：
执行步骤S10，提供一衬底1，所述衬底1的材料包括但不限于氮化铝，蓝宝石，氮化镓，硅，碳化硅；所述衬底1可为平面衬底或图案化衬底。
执行步骤S20，于所述衬底1上，形成N型半导体层4，其中所述N型半导体层4的材料例如GaN。
需要说明的是，在一些实施例中，所述衬底1和所述N型半导体层4之间还可以依次形成3D生长层2以及2D生长层3。该3D生长层2生长方式为岛状生长，2D生长层3生长方式为二维生长，3D生长层生长后形成由三维的岛状小核构成的岛群，而后2D生长层填充连接岛群，继而共同构成一个光滑平整的层，以便后续其他层的生长。
执行步骤S30，于所述N型半导体层4上形成发光层5，通过发光层5使得变化的电场以光子的形式释放能量。
执行步骤S40，于所述发光层5上形成P型半导体层6。需要说明的是，所述P型半导体层6例如依次包括低温P型GaN层61，P型AlGaN层62，高温PlnxGa1-xN层63，其中，低温P型GaN层61的厚度为10-100nm，P型AlGaN层62的厚度为10-50nm，高温PlnxGa1-xN层63中的x取值范围为0<X<0.4，厚度可为10-100nm，例如10-50nm或50-90nm。
执行步骤S50，于所述P型半导体层6上形成P型接触层7，所述P型接触层7的厚度小于等于并具有镁的掺杂浓度大于等于1.00E+20atoms/cm3，例如1.00～E+20atoms/cm3～9.00～E+20atoms/cm3。
需要说明的是镁的掺杂方式为：通过渐变掺杂的方式在所述P型接触层7内掺杂镁，具体为镁的掺杂浓度先逐渐升高，达到最高点后，镁的掺杂浓度再按照上升的幅度逐渐下降，其中镁掺杂的最高点由控制所述P型接触层5厚度生长的三乙基镓生长速率决定，三乙基镓的生长速率先由高到低，其中镁的浓度与三乙基镓的生长速率对应关系为三乙基镓的生长速率最小时，镁的掺杂浓度最高，通过上述方式以实现镁的高掺杂。
其中，所述所述P型接触层7的生长速率小于0.35um/h，例如0.3～0.1um/h，且厚度小于等于例如
需要说明的是，所述3D生长层2、2D生长层3、N型半导体层4、发光层5、P型半导体层6以及P型接触层7的生长方法可采用诸如金属有机化合物气外延(MOCVD),分子束外延(MBE)，氢化物气相外延(HVPE)和气相外延(CVD)中的一种，当然也可采用诸如原子层沉积(ALD)等其他方法来生长，不以此为限。
通过本发明的发光二极管外延结构及其制备方法，可获得有效改善LED光通量衰减情况的外延结构。
如图2所示，本发明还提供一种上述发光二极管外延结构，所述结构包括，一衬底1，设有第一电极，依次设置于所述衬底之上的N型半导体层4，发光层5，P型半导体层6以及P型接触层7。
具体地，所述P型接触层7的生长速率小于0.35um/h，厚度小于等于并具有镁的掺杂浓度大于等于1.00E+20atoms/cm3。通过高浓度镁掺杂降低电阻率，提升电导率，增强半导体的导电性，有效半导体光通量衰减情况。
在一实施例中，所述P型接触层7的生长方式为：控制所述P型接触层7厚度的三乙基镓的生长速率由高到低，并小于0.35um/h，而镁的掺杂浓度则和三乙基镓相反，所述P型接触层7内镁的掺杂步骤为：逐渐升高所述镁的掺杂浓度，以及呈等斜率地下降所述镁的掺杂浓度。
作为示例，所述衬底1的材料包括但不限于氮化铝，蓝宝石，氮化镓，硅，碳化硅；所述衬底1可为平面衬底或图案化衬底；所述N型半导体层4的材料例如氮化镓。
在一实施例中，所述衬底1与所述N型半导体层4之间还依次形成3D生长层2、2D生长层3，所述3D生长层2生长方式为岛状生长，所述2D生长层3生长方式为二维生长，3D生长层2生长后形成由三维的岛状小核构成的岛群，而后2D生长层3填充连接岛群，继而共同构成一个光滑平整的层，以便后续其他层的生长。
作为示例，所述P型半导体层6依次包括低温P型GaN层61，P型AlGaN层62，高温PlnxGa1-xN层63，其中，低温P型GaN层61的厚度为10-100nm，P型AlGaN层62的厚度为10-50nm，高温PlnxGa1-xN层63中的x取值范围为0<X<0.4，厚度为10-100nm。
本发明所述的发光二极管外延结构可有效改善光通量衰减的问题，需要说明的是，该发光二极管外延结构可应用到具体半导体器件中，改善器件的光通量衰减情况。
下面将结合具体的实施例来说明本发明发光二极管外延结构的制备过程。
如图3所示，在一实施例中，本发明的发光二极管外延结构的制备过程可包括:
(1)执行步骤S101：选择一种氮化铝衬底1，当然也可采用诸如氮化铝的其他衬底，不以此为限。
(2)执行步骤S102：在氮化铝衬底上岛状生长3D生长层2，生长温度为1000-1200℃，通入三甲基镓，生长压力为100-500Torr。
(3)执行步骤S103：在3D生长层2上二维生长2D生长层3，生长温度为1000-1200℃，压力在100-600Torr。
(4)执行步骤S104:在2D生长层3上生长N型半导体层4，所述N型半导体层4为N型GaN层，生长N型GaN层常用的诸如三甲基镓TMGa/三乙基镓TEGa和氮气分别作为Ga源和N源，以超纯氢气作为载气，GaN材料的生长是在高温下，通过TMGa或TEGa分解除的Ga与NH3的化学反应实现的，其可逆方程式为：Ga+NH3＝GaN+3/2H2，作为示例，N型GaN层生长温度在1000-1200℃，生长压力在100-600Torr。
(5)执行步骤S105：在氮化镓N型半导体层4上生长有源区多量子阱发光层5，生长温度在720-920℃，压力在100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在300-8000。
(6)执行步骤S106：在发光层5上生长低温P型GaN层61，以氮气作为载气，生长温度在620-1200℃之间，压力在100-600Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在200-6000，生长厚度为10-100nm。
(7)执行步骤S107：在低温P型GaN层61上生长p型AlGaN层62，生长温度在900-1100℃，生长时间为5-15min，压力在50-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在5-800，其中铝的摩尔组分含量在10％-30％。
(8)执行步骤S108：在p型AlGaN层62上生长高温PlnxGa1-xN层63，其中，0<X<0.4,生长温度在700-950℃，生长时间为3-25min，压力在100-500Torr，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在2-600，厚度为-改为10-100nm。
(9)执行步骤S109：在高温PlnxGa1-xN层63上生长P型接触层7，生长温度在800-950℃，压力在100-600Torr，转速在500-1200转，Ⅴ/Ⅲ摩尔比在100-8000。本实施例中，通过渐变掺杂使得镁的掺杂浓度为1.00E+20atoms/cm3，p型接触层的厚度为
其中，在另一实施例中，P型接触层7通过渐变掺杂掺杂的镁的浓度为6.00E+20atoms/cm3，p型接触层的厚度为
在又一实施例中，P型接触层7镁的掺杂浓度为8.00E+20atoms/cm3，p型接触层7的厚度为
(10)执行步骤S110：外延生长结束后，降温至450-800℃，通过纯氢气进行退火降温处理2-20min，然后降至室温，形成发光二极管的外延结构。
综上所述，本发明提供发光二极管外延结构的制备方法，所述发光二极管外延结构制备方法包括，提供一衬底，其中所述衬底上设有第一电极，在所述衬底上形成N型半导体层，在所述N型半导体层上形成发光层，在所述发光层上形成P型半导体层，在所述P型半导体层上形成P型接触层，其中所述P型接触层的生长速率小于0.35um/h，厚度小于等于并具有镁的掺杂浓度大于等于1.00E+20atoms/cm3。利用本发明，在发光二极管外延结构中可以形成高浓度镁的掺杂，不仅制备工艺简单，而且提高发光二极管的光电性能，有效改善发光二级光光通量衰减的问题。所以本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底，其中所述衬底上设有第一电极；
在所述衬底上形成N型半导体层；
在所述N型半导体层上形成发光层；
在所述发光层上形成P型半导体层；
在所述P型半导体层上形成P型接触层；其中所述P型接触层的生长速率小于0.35um/h，且厚度小于等于并具有镁的掺杂浓度大于等于1.00E+20atoms/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，在所述衬底和所述N型半导体层之间依次形成3D生长层以及2D生长层。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，所述P型半导体层包括低温P型GaN层，P型AlGaN层以及高温PlnxGa1-xN层。
4.根据权利要求3所述的一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，其中所述高温PlnxGa1-xN层中的x取值范围为0<X<0.4。
5.根据权利要求4所述的一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，所述P型GaN层厚度为10-100nm，所述P型AlGaN层厚度为10-50nm，所述高温PlnxGa1-xN层厚度为10-100nm。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，所述P型接触层中镁的掺杂方式为渐变掺杂。
7.根据权利要求6所述的一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，所述P型接触层镁的掺杂步骤包括：
逐渐升高所述镁的掺杂浓度；以及
呈等斜率地下降所述镁的掺杂浓度。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，当在所述P型半导体层上形成P型接触层时，所述P型接触层的厚度通过所述P型接触层中三乙基镓的生长速率控制。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，当所述P型接触层厚度值小于等于且三乙基镓生长速率最慢时，镁的掺杂浓度最高。
10.一种发光二极管外延结构，其特征在于，包括：
衬底，设有第一电极；
第一半导体层，形成于所述衬底上；
发光层，形成于所述第一半导体层上；
第二半导体层，形成于所述发光层上；
P型接触层，形成于所述第二半导体层上，其中所述P型接触层的生长速率小于0.35um/h，厚度小于等于并具有镁的掺杂浓度大于等于1.00E+20atoms/cm3。
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