CN110571316A - 一种发光二极管结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种发光二极管结构及其制备方法，涉及半导体器件技术领域。本发明的一种发光二极管结构，包括：衬底；第一电极，其设置在衬底上；第一半导体层，其设置在第一电极上；应力消除层，其设置在第一半导体层上；发光层，其设置在应力消除层上；第二半导体层，其设置在发光层上；第二电极，其设置在第二半导体层上。本发明通过发光二极管结构及其制备方法改善发光量子阱的发光面和出光角度，解决了现有方法中发光二极管发光效率不高的问题。

Description

一种发光二极管结构及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，尤其是涉及一种半导体外延技术领域，特别是涉及一种发光二极管结构及其制备方法。
背景技术
发光二极管是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。发光二极管作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，具有低电压、低功耗、体积小、重量轻、寿命长、高可靠性、色彩丰富等优点。目前国内生产发光二极管的规模正在逐步扩大，但是发光二极管仍然存在发光效率低下的问题。而对于紫光发光二极管的外延生长，提升内量子效率往往涉及到载流子注入效率，另外紫光由于发光波长较短，量子阱中氮化铟稼层的铟组分较低，电子通常存在从多量子阱结构中溢出到P区形成非辐射复合形式复合。当载流子注入效率和辐射复合效率一定的情况下，可否寻找一种发光二极管结构及其制备方法，提高发光二极管的发光效率，是本技术领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管结构及其制备方法，通过具有凸状结构的应力消除层结构的制备方法改善发光量子阱的发光面和出光角度，解决现有方法中发光二极管发光效率不高的问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供一种发光二极管结构，其包括：
衬底；
第一电极，其设置在所述衬底上；
第一半导体层，其设置在所述第一电极上；
应力消除层，其设置在所述第一半导体层上；
发光层，其设置在所述应力消除层上；
第二半导体层，其设置在所述发光层上；
第二电极，其设置在所述第二半导体层上。
在本发明的一个实施例中，所述第一半导体层包括依次堆叠的缓冲层和N型氮化镓层。
在本发明的一个实施例中，所述应力消除层包括多个凸状结构。
在本发明的一个实施例中，所述应力消除层由多个周期的氮化铟稼层和N型氮化镓层循环组成。
在本发明的一个实施例中，所述应力消除层中的所述氮化铟稼组分中的铟组分占比为0.01-0.1。
在本发明的一个实施例中，所述应力消除层中的所述N型氮化镓组分中掺杂硅，所述硅的掺杂浓度为1.0×1017cm-3-1.0×1018cm-3。
在本发明的一个实施例中，所述第二半导体层包括依次堆叠的第一P型氮化镓层、电子阻挡层和第二P型氮化镓层。
在本发明的一个实施例中，所述电子阻挡层中铝与镓的掺杂浓度比为0.1-0.6。
本发明提供一种发光二极管结构的制备方法，其包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上，形成第一电极；
在所述第一电极上，形成第一半导体层；
在所述第一半导体层上，形成应力消除层；
在所述应力消除层上，形成发光层；
在所述发光层上，形成第二半导体层；
在所述第二半导体层上，形成第二电极。
在本发明的一个实施例中所述生长方法还包括在所述发光二极管结构制备完成后，对所述发光二极管结构进行退火，所述退火的温度为650℃-800℃，所述退火的气氛为纯氮气气氛。
本发明通过具有凸状结构的应力消除层结构的制备方法改善发光量子阱的发光面和出光角度，解决了现有方法中发光二极管发光效率不高的问题。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为本发明中一实施例的发光二极管结构图；
图2为本发明中一实施例的发光二极管结构图；
图3为本发明中一实施例的发光二极管结构图；
图4为本发明中一实施例的发光二极管结构图；
图5为本发明中一种发光二极管结构的制备方法流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-衬底，2-第一电极，3-第一半导体层，31-缓冲层，32-N型氮化镓层，4-应力消除层，5-发光层，6-第二半导体层，61-第一P型氮化镓层，62-电子阻挡层，63-第二P型氮化镓层，7-第二电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
发光二极管被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。根据使用功能的不同，可以将其划分为信息显示、信号灯、车用灯具、液晶屏背光源、通用照明五大类。
因发光二极管具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏；因发光二极管既节能，可靠性又高，也被广泛应用于交通信号灯。由于发光二极管响应速度快，被应用于汽车工业上的应用汽车用灯。发光二极管具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、无线寻呼系统中的被叫用户接收机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，发光二极管背光源更具优势。
请参阅图1至图4所示，本发明提供了一种发光二极管结构，包括：衬底1、第一电极2、第一半导体层3、应力消除层4、发光层5、第二半导体层6、第二电极7。
请参阅图1至图4所示，在本实施例中，衬底1可以为氮化铝衬底，在其他实施例中还可以选用蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底等。第一电极2设置在衬底1上，第一电极2可以包括多个导电层。
请参阅图1至图4所示，第一半导体层3设置在第一电极2上。在本实施例中，第一半导体层3包括缓冲层31和N型氮化镓层32。在本实施例中，缓冲层31可以为氮化镓缓冲层，在其他实施例中还可以为低温N型氮化镓层、无掺杂型氮化镓层等。缓冲层31的生长厚度可以为500nm-2500nm，缓冲层中包含第五族元素和第三族元素，第五族元素和第三族元素的摩尔比可以为300-2500。N型氮化镓层32的生长厚度可以为1000nm-4500nm，N型氮化镓层32中含有杂质，其掺杂浓度可以为1.0×1018cm-3-1.0×1019cm-3，N型氮化镓层32中包含第五族元素和第三族元素，第五族元素和第三族元素的摩尔比可以为50-2000。以上的参数所给范围视器件的形貌和性能取最优值，第一半导体层的结构特点为后续应力消除层提供基础。
请参阅图1至图4所示，应力消除层4设置在第一半导体层3上。应力消除层4包括多个凸状结构，在本实施例中，凸状结构可以为锯齿状凸状结构，例如图1。在其他实施例中，凸状结构还可以为半球体凸状结构例如图2、波浪式凸状结构例如图3、方波式凸状结构例如图4等。应力消除层4的凸状结构有利于消除第一半导体层3产生的张应力。应力消除层4由m个周期的氮化铟稼层和N型氮化镓层循环构成，在本实施例中，例如m可以为1-20。氮化铟稼层中包括铟元素，铟元素的组分占比可以为0.01-0.1，每层氮化铟稼层的生长厚度可以为0.5nm-5nm。N型氮化镓层中硅的掺杂浓度可以为1.0×1017cm-3-1.0×1018cm-3，每层N型氮化镓层的生长厚度可以为1nm-10nm。应力消除层4中还包含第五族元素和第三族元素，第五族元素和第三族元素的摩尔比可以为200-5000。以上的参数所给范围视器件的形貌和性能寻求最优值，如厚度、掺杂浓度、摩尔比。
请参阅图1至图4所示，发光层5设置在应力消除层4上。发光层5包括多个凸状结构，在本实施例中，凸状结构可以为锯齿状凸状结构，例如图1。在其他实施例中，凸状结构还可以为半球体凸状结构例如图2、波浪式凸状结构例如图3、方波式凸状结构例如图4等。在不改变整体结构大小的前提下，发光层5的凸状结构一方面增大了发光层5的发光面积，另一方面使发光层5的出光角度发生了变化，减少了光线到达最表层界面的反射现象，使得出光效率得到大大改善。发光层5由n个周期的氮化铟稼层和氮化铝镓层循环构成，在本实施例中，例如n可以为5-10。每层氮化铟稼层的生长厚度可以为1nm-20nm，每层氮化铝镓层的生长厚度可以为1nm-20nm，发光层5中还包括多个垒，每个垒的厚度可以为1nm-10nm。应力消除层4中包含第五族元素和第三族元素，第五族元素和第三族元素的摩尔比可以为300-8000。以上的参数所给范围视器件的形貌和性能寻求最优值，如厚度、掺杂浓度、摩尔比。
请参阅图1至图4所示，第二半导体层6设置在发光层5上。第二半导体层6包括多个凸状结构，在本实施例中，凸状结构可以为锯齿状凸状结构，例如图1。在其他实施例中，凸状结构还可以为半球体凸状结构例如图2、波浪式凸状结构例如图3、方波式凸状结构例如图4等。第二半导体层6层还包括依次堆叠的第一P型氮化镓层61、电子阻挡层62和第二P型氮化镓层63。第一P型氮化镓层61中包含第五族元素和第三族元素，第五族元素和第三族元素的摩尔比可以为300-5000。电子阻挡层62的生长厚度可以为10nm-120nm，电子阻挡层62中铝与镓的掺杂浓度比可以为0.1-0.6，电子阻挡层62层中还包含第五族元素和第三族元素，第五族元素和第三族元素的摩尔比可以为200-6000。第二P型氮化镓层63的生长厚度可以为30nm-100nm，第二P型氮化镓层63层中包含第五族元素和第三族元素，第五族元素和第三族元素的摩尔比可以为200-6000。第二电极7设置在第二半导体层6上，第二电极7可以包括多个导电层。以上的参数所给范围使得凸状结构得到填补，为后续表面蒸镀提供夯实的外延层。
请参阅图1至图4所示，本发明还提供了一种发光二极管结构的制备方法，包括以下步骤：
请参阅图5所示，在步骤S1中，提供一衬底1。在步骤S2中，在衬底1上，形成第一电极2。在本实施例中，可以将腔室内的温度调节到1000℃-1200℃，可以调节腔室内的生长压力到100Torr-500Torr，往腔室内通入三乙基镓，在步骤S3中，在第一电极2上形成第一半导体层3中的缓冲层。当第一半导体层3中的缓冲层形成后，可以调节腔室内的生长压力到100Torr-600Torr，在缓冲层上形成例如氮化镓层。以上的参数所给范围视器件的形貌和性能取最优值，第一半导体层的结构特点为后续应力消除层提供基础。
请参阅图5所示，在步骤S4中，在本实施例中，可以将腔室内的温度调节到600℃-1000℃，可以调节腔室内的生长压力到100Torr-400Torr，往腔室内通入三乙基镓，在第一半导体层3上，形成应力消除层4。以上的参数所给范围视器件的形貌寻求最优值，如厚度、掺杂浓度、摩尔比。
请参阅图5所示，在步骤S5中，在本实施例中，可以将腔室内的温度调节到750℃-920℃，可以调节腔室内的生长压力到400Torr-600Torr，在应力消除层4上，形成发光层5。以上的参数所给范围视器件的形貌寻求最优值，如厚度、掺杂浓度、摩尔比。
请参阅图5所示，在步骤S6中，在本实施例中，可以将腔室内的温度调节到620℃-820℃，可以调节腔室内的生长压力到50Torr-500Torr，在发光层5上，形成第二半导体层6中的第一P型氮化镓层，生长时间可以为5min-35min。当第二半导体层6中的第一P型氮化镓层形成后，可以将腔室内的温度调节到700℃-1100℃，可以调节腔室内的生长压力到200Torr-600Torr，在第一P型氮化镓层上形成电子阻挡层，生长时间可以为5min-30min。当第二半导体层6中的电子阻挡层形成后，维持整个腔室内的生长环境，在电子阻挡层上，生长第二P型氮化镓层，生长时间可以为5min-30min。以上的参数所给范围使得凸状结构得到填补，为后续表面蒸镀提供夯实的外延层。
请参阅图5所示，在步骤S7中，在第二半导体层6上，形成第二电极7。在第二电极7制备完成后，对发光二极管结构进行退火，退火温度可以为650℃-800℃，退火气氛为纯氮气气氛。将退火完成的发光二极管结构经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等后续加工工艺制成单颗小尺寸芯片。在本实施例中，可以以高纯氢气或氮气为载气，可以以三甲基镓或三乙基镓为镓源、可以以三甲基铝为铝源、可以以三甲基铟为铟源、可以以氨气(NH3)为氮源，可以以硅烷为N型掺杂剂，可以以二茂镁为P型掺杂剂。合适的退火温度可以使得掺杂剂镁充分活化，P型掺杂效率达到最高。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种发光二极管结构，其特征在于，其包括：
衬底；
第一电极，其设置在所述衬底上；
第一半导体层，其设置在所述第一电极上；
应力消除层，其设置在所述第一半导体层上；
发光层，其设置在所述应力消除层上；
第二半导体层，其设置在所述发光层上；及
第二电极，其设置在所述第二半导体层上。
2.根据权利要求1所述一种发光二极管结构，其特征在于，所述第一半导体层包括依次堆叠的缓冲层和N型氮化镓层。
3.根据权利要求1所述一种发光二极管结构，其特征在于，所述应力消除层包括多个凸状结构。
4.根据权利要求1所述一种发光二极管结构，其特征在于，所述应力消除层由多个周期的氮化铟稼层和N型氮化镓层循环组成。
5.根据权利要求1所述一种发光二极管结构，其特征在于，所述应力消除层中的所述氮化铟稼组分中的铟组分占比为0.01-0.1。
6.根据权利要求1所述一种发光二极管结构，其特征在于，所述应力消除层中的所述N型氮化镓组分中掺杂硅，所述硅的掺杂浓度为1.0×1017cm-3-1.0×1018cm-3。
7.根据权利要求1所述一种发光二极管结构，其特征在于，所述第二半导体层包括依次堆叠的第一P型氮化镓层、电子阻挡层和第二P型氮化镓层。
8.根据权利要求1所述一种发光二极管结构，其特征在于，所述电子阻挡层包含铝元素和镓元素，所述铝元素与镓元素的掺杂浓度比为0.1-0.6。
9.一种发光二极管结构的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上，形成第一电极；
在所述第一电极上，形成第一半导体层；
在所述第一半导体层上，形成应力消除层；
在所述应力消除层上，形成发光层；
在所述发光层上，形成第二半导体层；
在所述第二半导体层上，形成第二电极。
10.根据权利要求9所述一种发光二极管结构的制备方法，其特征在于，所述生长方法还包括在所述发光二极管结构制备完成后，对所述发光二极管结构进行退火，所述退火的温度为650℃-800℃，所述退火的气氛为纯氮气气氛。
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