CN111403563B - 一种pipn结构的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种PIPN结构的发光二极管及其制备方法，该发光二极管在有源层和N型结构层之间设置了一层P型插入层，P型插入层一方面可作为电子的阻挡层，降低电子传输效率。另一方面由于P型插入层的存在，使得发光二极管由原本的PIN结构变成PIPN结构，这将大大减少整个有源层的内建电场，该内建电场的方向由N型结构层指向P型空穴供给层，即该内建电场对空穴的电场力阻碍了有源层中空穴往N型结构层方向的传输，因此对该内建电场的减弱有利于提高空穴向N型结构层方向的传输。P型插入层在这两方面的作用，可缩小电子和空穴传输效率的差异，从而使得电子和空穴在有源层中可以均匀分布，大大提高了电子和空穴的碰撞几率，进而提升辐射复合效率。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种PIPN结构的发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，也称为电致发光二极管，是LED灯的核心组件。随着发光二极管技术的快速发展，发光二极管在各领域中的应用越来越广泛。
III-V族氮化物，由于其直接带隙半导体的特性，具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和迁移率高等优异的物理特性，在电学、光学领域受到广泛的关注。其中，以GaN基为主要材料的蓝绿光发光二极管，更是在照明、显示、数码方面有着长足的发展。
但是目前的氮化物发光二极管普遍存在着大电流下发光效率衰减过快的技术难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种PIPN结构的发光二极管及其制备方法，以解决发光二极管在大电流下发光效率衰减过快的问题。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种PIPN结构的发光二极管，包括：
基底；
位于所述基底一侧的N型结构层；
位于所述N型结构层背离所述基底一侧的P型插入层；
位于所述P型插入层背离所述基底一侧的有源层；
位于所述有源层背离所述基底一侧的电子阻挡层；
位于所述电子阻挡层背离所述基底一侧的P型空穴供给层。
可选的，所述P型插入层为P型铝铟镓氮层。
可选的，所述P型铝铟镓氮层的材料禁带宽度大于所述N型结构层的材料禁带宽度；
所述P型铝铟镓氮层的厚度取值范围为10-200nm，所述P型铝铟镓氮层的掺杂浓度的取值范围为1E17/cm-3～1E19/cm-3。
可选的，所述N型结构层包括：U-GaN层和N-GaN电子供给层；其中，所述N-GaN电子供给层位于所述U-GaN层背离所述基底一侧表面；
所述有源层包括交替层叠设置的多层铟镓氮层和多层氮化镓层；
所述P型空穴供给层包括P型氮化镓层。
可选的，还包括：
位于所述基底与所述N型结构层之间的缓冲层；
位于所述P型空穴供给层背离所述基底一侧的欧姆接触层；
位于所述欧姆接触层背离所述基底一侧表面的第一电极；
位于所述N型结构层背离所述基底一侧表面的第二电极。
一种PIPN结构的发光二极管的制备方法，包括：
提供基底；
在所述基底表面依次形成N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层和P型空穴供给层。
可选的，所述P型插入层的制备过程具体包括：
保持基底所在的反应室内部的压强范围为300-600Torr，将反应室内的温度调整为800-950摄氏度，保持氨气流量恒定；
重复气体通入过程预设次数，以在所述N型结构层表面形成所述P型插入层；
所述气体通入过程包括：
向所述反应室中通入三甲基铝，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入三甲基镓，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入三甲基铟，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入二茂镁，持续时间为5-10s。
可选的，所述预设次数的取值范围为5～50。
可选的，所述P型插入层的制备过程还包括：
根据所述P型插入层的生长状态，调整每次气体通过过程中所述反应室内的温度以及三甲基铝和三甲基镓的通入持续时间。
可选的，所述在所述基底表面依次形成N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层和P型空穴供给层包括：
在所述基底表面依次形成缓冲层、N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层、P型空穴供给层和欧姆接触层；
在所述欧姆接触层背离所述基底一侧表面形成第一电极；
在所述N型结构层背离所述基底一侧表面形成第二电极。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种PIPN结构的发光二极管及其制备方法，其中，所述PIPN结构的发光二极管在有源层和N型结构层之间设置了一层P型插入层，所述P型插入层一方面可作为电子的阻挡层，减缓电子向P型空穴供给层的传输，降低电子传输效率。另一方面由于所述P型插入层的存在，使得所述发光二极管由原本的PIN结构变成PIPN结构，这将大大减少整个有源层的内建电场，该内建电场的方向由N型结构层指向所述P型空穴供给层，即该内建电场对空穴的电场力阻碍了有源层中空穴往N型结构层方向的传输，因此对该内建电场的减弱有利于提高空穴向N型结构层方向的传输。所述P型插入层在这两方面的作用，可缩小电子和空穴传输效率的差异，从而使得电子和空穴在有源层中可以均匀分布，大大提高了电子和空穴的碰撞几率，进而提升辐射复合效率，解决发光二极管在大电流下发光效率衰减过快的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请的一个实施例提供的一种PIPN结构的发光二极管的剖面结构示意图；
图2为本申请的另一个实施例提供的一种PIPN结构的发光二极管的剖面结构示意图；
图3为本申请的又一个实施例提供的一种PIPN结构的发光二极管的剖面结构示意图；
图4为本申请的一个实施例提供的一种PIPN结构的发光二极管的制备方法的流程示意图；
图5为本申请的一个实施例提供的一种P型插入层的制备流程示意图；
图6为本申请的一个实施例提供的一种气体通入过程的流程示意图；
图7为本申请的另一个实施例提供的一种PIPN结构的发光二极管的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
正如背景技术中，现有技术中氮化物发光二极管存在着大电流下发光效率衰减过快的问题，这种被称作“Efficiency Droop”的现象引起了本领域研究人员的广泛关注。业内普遍认为，这种效率下降的现象是由俄歇复合、极化效应、电子泄露和空穴注入不足等诸多原因造成的。其中，电子泄露和空穴注入不足被认为是效率下降的主要原因。针对电子泄露的问题，目前主要的解决方式有在有源层和P型层之间增加宽带隙的电子阻挡层(Electron-Blocking Layer，EBL)，以阻挡电子往P型区域的泄漏。而针对空穴注入不足的问题，目前主要解决方式为通过提高空穴供给层的空穴浓度(如deta掺杂技术、极化掺杂技术和超晶格技术等)来增大空穴往有源区的注入。
但这些技术虽然可以一定程度上减少电子的泄漏，提高空穴的注入，但并不能明显改善发光二极管的有源区中载流子的分布和传输从而提升辐射复合效率。这主要是由于电子和空穴传输效率的差异以及有源区PIN结构内建电场的共同作用下使得电子和空穴在有源区的分布仍然很不均匀，这将导致大部分的电子和空穴均集中在靠近P型区的几对量子阱中，减少了电子和空穴的碰撞几率。
有鉴于此，本申请实施例提供了一种PIPN结构的发光二极管，包括：
基底；
位于所述基底一侧的N型结构层；
位于所述N型结构层背离所述基底一侧的P型插入层；
位于所述P型插入层背离所述基底一侧的有源层；
位于所述有源层背离所述基底一侧的电子阻挡层；
位于所述电子阻挡层背离所述基底一侧的P型空穴供给层。
所述PIPN结构的发光二极管在有源层和N型结构层之间设置了一层P型插入层，所述P型插入层一方面可作为电子的阻挡层，减缓电子向P型空穴供给层的传输，降低电子传输效率。另一方面由于所述P型插入层的存在，使得所述发光二极管由原本的PIN结构变成PIPN结构，这将大大减少整个有源层的内建电场，该内建电场的方向由N型结构层指向所述P型空穴供给层，即该内建电场对空穴的电场力阻碍了有源层中空穴往N型结构层方向的传输，因此对该内建电场的减弱有利于提高空穴向N型结构层方向的传输。所述P型插入层在这两方面的作用，可缩小电子和空穴传输效率的差异，从而使得电子和空穴在有源层中可以均匀分布，大大提高了电子和空穴的碰撞几率，进而提升辐射复合效率，解决发光二极管在大电流下发光效率衰减过快的问题。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种PIPN结构的发光二极管，如图1所示包括：
基底10；
位于所述基底10一侧的N型结构层20；
位于所述N型结构层20背离所述基底10一侧的P型插入层；
位于所述P型插入层背离所述基底10一侧的有源层30；
位于所述有源层30背离所述基底10一侧的电子阻挡层40；
位于所述电子阻挡层40背离所述基底10一侧的P型空穴供给层50。
对于氮化镓发光二极管而言，参考图2，可选的，所述N型结构层20包括：U-GaN层21和N-GaN电子供给层22；其中，
所述N-GaN电子供给层22位于所述U-GaN层21背离所述基底10一侧表面；
所述有源层30包括交替层叠设置的多层铟镓氮层和多层氮化镓层；
所述P型空穴供给层50包括P型氮化镓层。
下面对本申请实施例提供的一种可行的P型插入层进行具体说明。
在本申请的一个实施例中，所述P型插入层为P型铝铟镓氮层，可选的，所述P型铝铟镓氮层的厚度取值范围为10-200nm，所述P型铝铟镓氮层中P型材料的平均掺杂浓度的取值范围为1E17/cm-3～1E19/cm-3。
且所述P型铝铟镓氮层满足Eg(AlxInyGa1-x-yN)>Eg(GaN)，即所述P型铝铟镓氮层的禁带宽度大于所述N型结构层20(即氮化镓层)的禁带宽度，宽带隙的铝铟镓氮层可有效阻挡电子的传输，降低电子的传输效率，提高电子与空穴碰撞的几率。
可选的，所述P型铝铟镓氮层的化学式为：AlxInyGa1-x-yN，且x＝0.48y，当铝铟镓氮层中的铝组分和铟组分满足x＝0.48y时，四元系的铝铟镓氮层材料和氮化镓材料晶格匹配，有效避免引进额外的极化电场和能带弯曲。
所述P型铝铟镓氮层一方面可作为电子的阻挡层，减缓电子向P型空穴供给层50的传输，降低电子传输效率。另一方面由于所述P型插入层的存在，使得所述发光二极管由原本的PIN结构变成PIPN结构，这将大大减少整个有源层30的内建电场，该内建电场的方向由N型结构层20指向所述P型空穴供给层50，使得该内建电场对空穴的电场力阻碍了有源层30中空穴往N型结构层20方向的传输，因此对该内建电场的减弱有利于提高空穴向N型结构层20方向的传输。所述P型插入层在这两方面的作用，可缩小电子和空穴传输效率的差异，从而使得电子和空穴在有源层30中可以均匀分布，大大提高了电子和空穴的碰撞几率，进而提升辐射复合效率，解决发光二极管在大电流下发光效率衰减过快的问题。
参考图3，图3示出了一种可行的PIPN结构的发光二极管的剖面结构，在图3所示的PIPN结构的发光二极管中，还包括：
位于所述基底10与所述N型结构层20之间的缓冲层60；
位于所述P型空穴供给层50背离所述基底10一侧的欧姆接触层70；
位于所述欧姆接触层70背离所述基底10一侧表面的第一电极80；
位于所述N型结构层20背离所述基底10一侧表面的第二电极90。
在氮化镓发光二极管中，常用的基底10(例如氧化铝基底)与氮化镓之间往往存在晶格失配的问题，因此通常在形成所述N型结构层20之前，还设置有一层缓冲层60，以解决基底10与N型结构层20之间的晶格失配问题。
所述欧姆接触层70用于优化所述P型空穴供给层50与所述第一电极80之间的欧姆接触。
在图3中，所述PIPN结构的发光二极管采用同侧电极的设置方式，即第一电极80和第二电极90均位于所述基底10的同一侧，所述第二电极90形成于所述N型结构层20的裸露台面上，该台面可以在所述P型插入层、有源层30、电子阻挡层40、P型空穴供给层50和欧姆接触层70形成之后通过刻蚀的方式形成。
下面对本申请实施例提供的一种PIPN结构的发光二极管的制备方法进行描述，下文描述的PIPN结构的发光二极管的制备方法与上文描述的PIPN结构的发光二极管可以相互对应参照。
相应的，本申请实施例提供了一种PIPN结构的发光二极管的制备方法，如图4所示，包括：
S101：提供基底；
S102：在所述基底表面依次形成N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层和P型空穴供给层。
所述PIPN结构的发光二极管的剖面结构示意图参考图1，对于氮化镓发光二极管而言，参考图2，可选的，所述N型结构层包括：U-GaN层和N-GaN电子供给层；其中，
所述N-GaN电子供给层位于所述U-GaN层背离所述基底一侧表面；
所述有源层包括交替层叠设置的多层铟镓氮层和多层氮化镓层；
所述P型空穴供给层包括P型氮化镓层。
下面对本申请实施例提供的一种可行的P型插入层进行具体说明。
在本申请的一个实施例中，所述P型插入层为P型铝铟镓氮层，可选的，所述P型铝铟镓氮层中P型材料的平均掺杂浓度的取值范围为1E17/cm-3～1E19/cm-3。
且所述P型铝铟镓氮层满足Eg(AlxInyGa1-x-yN)>Eg(GaN)，即所述P型铝铟镓氮层的禁带宽度大于所述N型结构层(即氮化镓层)的禁带宽度，宽带隙的铝铟镓氮层可有效阻挡电子的传输，降低电子的传输效率，提高电子与空穴碰撞的几率。
可选的，所述P型铝铟镓氮层的化学式为：AlxInyGa1-x-yN，且x＝0.48y，当铝铟镓氮层中的铝组分和铟组分满足x＝0.48y时，四元系的铝铟镓氮层材料和氮化镓材料晶格匹配，有效避免引进额外的极化电场和能带弯曲。
所述P型铝铟镓氮层一方面可作为电子的阻挡层，减缓电子向P型空穴供给层的传输，降低电子传输效率。另一方面由于所述P型插入层的存在，使得所述发光二极管由原本的PIN结构变成PIPN结构，这将大大减少整个有源层的内建电场，该内建电场的方向由N型结构层指向所述P型空穴供给层，即该内建电场对空穴的电场力阻碍了有源层中空穴往N型结构层方向的传输，因此对该内建电场的减弱有利于提高空穴向N型结构层方向的传输。所述P型插入层在这两方面的作用，可缩小电子和空穴传输效率的差异，从而使得电子和空穴在有源层中可以均匀分布，大大提高了电子和空穴的碰撞几率，进而提升辐射复合效率，解决发光二极管在大电流下发光效率衰减过快的问题。
可选的，如图5所示，所述P型插入层的制备过程具体包括：
S201：保持基底所在的反应室内部的压强范围为300-600Torr，将反应室内的温度调整为800-950摄氏度，保持氨气流量恒定；
S202：重复气体通入过程预设次数，以在所述N型结构层表面形成所述P型插入层；
参考图6，所述气体通入过程包括：
S2021：向所述反应室中通入三甲基铝(TMAL)，持续时间为5-10s；
S2022：向所述反应室中通入三甲基镓(TMGa)，持续时间为5-10s；
S2023：向所述反应室中通入三甲基铟(TMIn)，持续时间为5-10s；
S2024：向所述反应室中通入二茂镁(Cp2Mg)，持续时间为5-10s。
可选的，所述预设次数的取值范围为5～50。
可选的，所述P型插入层的制备过程还包括：
根据所述P型插入层的生长状态，调整每次气体通过过程中所述反应室内的温度以及三甲基铝和三甲基镓的通入持续时间。
具体地，在本实施例中，可以通过单独控制每次气体通过过程中所述反应室内的温度以及三甲基铝和三甲基镓的通入持续时间，精确控制铝铟镓氮层中各元素的组分，获得组分精确控制的低速高质量的铝铟镓氮层。
可选的，如图7所示，所述在所述基底表面依次形成N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层和P型空穴供给层包括：
S1021：在所述基底表面依次形成缓冲层、N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层、P型空穴供给层和欧姆接触层；
S1022：在所述欧姆接触层背离所述基底一侧表面形成第一电极；
S1023：在所述N型结构层背离所述基底一侧表面形成第二电极。
在氮化镓发光二极管中，常用的基底(例如氧化铝基底)与氮化镓之间往往存在晶格失配的问题，因此通常在形成所述N型结构层之前，还设置有一层缓冲层，以解决基底与N型结构层之间的晶格失配问题。
所述欧姆接触层用于优化所述P型空穴供给层与所述第一电极之间的欧姆接触。
最终制备获得的发光二极管的剖面结构参考图3，在图3中，所述发光二极管采用同侧电极的设置方式，即第一电极和第二电极均位于所述基底的同一侧，所述第二电极形成于所述N型结构层的裸露台面上，该台面可以在所述P型插入层、有源层、电子阻挡层、P型空穴供给层和欧姆接触层形成之后通过刻蚀的方式形成。
综上所述，本申请实施例提供了一种PIPN结构的发光二极管及其制备方法，其中，所述PIPN结构的发光二极管在有源层和N型结构层之间设置了一层P型插入层，所述P型插入层一方面可作为电子的阻挡层，减缓电子向P型空穴供给层的传输，降低电子传输效率。另一方面由于所述P型插入层的存在，使得所述发光二极管由原本的PIN结构变成PIPN结构，这将大大减少整个有源层的内建电场，该内建电场的方向由N型结构层指向所述P型空穴供给层，即该内建电场对空穴的电场力阻碍了有源层中空穴往N型结构层方向的传输，因此对该内建电场的减弱有利于提高空穴向N型结构层方向的传输。所述P型插入层在这两方面的作用，可缩小电子和空穴传输效率的差异，从而使得电子和空穴在有源层中可以均匀分布，大大提高了电子和空穴的碰撞几率，进而提升辐射复合效率，解决发光二极管在大电流下发光效率衰减过快的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种PIPN结构的发光二极管，其特征在于，包括：
基底；
位于所述基底一侧的N型结构层；
位于所述N型结构层背离所述基底一侧的P型插入层；
所述P型插入层为P型铝铟镓氮层；所述P型铝铟镓氮层的材料禁带宽度大于所述N型结构层的材料禁带宽度；
所述P型插入层的制备过程具体包括：
保持基底所在的反应室内部的压强范围为300-600Torr，将反应室内的温度调整为800-950摄氏度，保持氨气流量恒定；
重复气体通入过程预设次数，以在所述N型结构层表面形成所述P型插入层；所述预设次数的取值范围为5～50；
所述气体通入过程包括：
向所述反应室中通入三甲基铝，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入三甲基镓，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入三甲基铟，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入二茂镁，持续时间为5-10s；
所述P型插入层的制备过程还包括：
根据所述P型插入层的生长状态，调整每次气体通过过程中所述反应室内的温度以及三甲基铝和三甲基镓的通入持续时间；
位于所述P型插入层背离所述基底一侧的有源层；
位于所述有源层背离所述基底一侧的电子阻挡层；
位于所述电子阻挡层背离所述基底一侧的P型空穴供给层。
2.根据权利要求1所述的PIPN结构的发光二极管，其特征在于，所述P型铝铟镓氮层的厚度取值范围为10-200nm，所述P型铝铟镓氮层的掺杂浓度的取值范围为1E17/cm-3～1E19/cm-3。
3.根据权利要求1所述的PIPN结构的发光二极管，其特征在于，所述N型结构层包括：U-GaN层和N-GaN电子供给层；其中，
所述N-GaN电子供给层位于所述U-GaN层背离所述基底一侧表面；
所述有源层包括交替层叠设置的多层铟镓氮层和多层氮化镓层；
所述P型空穴供给层包括P型氮化镓层。
4.根据权利要求1所述的PIPN结构的发光二极管，其特征在于，还包括：
位于所述基底与所述N型结构层之间的缓冲层；
位于所述P型空穴供给层背离所述基底一侧的欧姆接触层；
位于所述欧姆接触层背离所述基底一侧表面的第一电极；
位于所述N型结构层背离所述基底一侧表面的第二电极。
5.一种PIPN结构的发光二极管的制备方法，其特征在于，包括：
提供基底；
在所述基底表面依次形成N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层和P型空穴供给层；
所述P型插入层为P型铝铟镓氮层；所述P型铝铟镓氮层的材料禁带宽度大于所述N型结构层的材料禁带宽度；
所述P型插入层的制备过程具体包括：
保持基底所在的反应室内部的压强范围为300-600Torr，将反应室内的温度调整为800-950摄氏度，保持氨气流量恒定；
重复气体通入过程预设次数，以在所述N型结构层表面形成所述P型插入层；所述预设次数的取值范围为5～50；
所述气体通入过程包括：
向所述反应室中通入三甲基铝，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入三甲基镓，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入三甲基铟，持续时间为5-10s；
向所述反应室中通入二茂镁，持续时间为5-10s；
所述P型插入层的制备过程还包括：
根据所述P型插入层的生长状态，调整每次气体通过过程中所述反应室内的温度以及三甲基铝和三甲基镓的通入持续时间。
6.根据权利要求5所述的PIPN结构的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述在所述基底表面依次形成N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层和P型空穴供给层包括：
在所述基底表面依次形成缓冲层、N型结构层、P型插入层、有源层、电子阻挡层、P型空穴供给层和欧姆接触层；
在所述欧姆接触层背离所述基底一侧表面形成第一电极；
在所述N型结构层背离所述基底一侧表面形成第二电极。
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