CN112670378A - 一种发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及发光二极管领域，具体公开一种发光二极管及其制造方法，该方法包括：提供一衬底；在第一生长温度下，对衬底进行高温处理；对衬底不进行降温处理，且在第一生长温度下在衬底上生长缓冲层；在第二生长温度下，在缓冲层远离衬底的一侧生长第一半导体层；在第三生长温度下，在第一半导体层远离缓冲层的一侧生长有源发光层；在有源发光层远离第一半导体层的一侧生长电子阻挡层；在电子阻挡层远离有源发光层的一侧生长第二半导体层。通过上述方式，缩短了发光二极管的制造周期，降低了生产成本，提高了生产效率。
Description
技术领域
本申请涉及发光二极管领域，特别是一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)是一种可将电流转换成特定波长范围的光的半导体元件。其中，GaN基发光二极管在制造过程中所面临的一个问题是：需要先将衬底置于高温和氢气氛围中清洁净化，然后在衬底上沉积一层缓冲层，缓冲层可以解决衬底材料与氮化镓材料之间的失配问题。
本申请的发明人在长期研发过程中，发现衬底的清洁净化过程需要花很长时间先升至高温，并在高温稳定一段时间后再降温到沉积缓冲层的工作温度，导致发光二极管的制造周期较长。
发明内容
本申请提供一种发光二极管及其制造方法，缩短了发光二极管的制造周期，降低了生产成本，提高了生产效率。
一方面，本申请提供了一种发光二极管的制造方法，该方法包括：提供一衬底；在第一生长温度下，对衬底进行高温处理；对衬底不进行降温处理，且在第一生长温度下在衬底上生长缓冲层；在第二生长温度下，在缓冲层远离衬底的一侧生长第一半导体层；在第三生长温度下，在第一半导体层远离缓冲层的一侧生长有源发光层；在有源发光层远离第一半导体层的一侧生长电子阻挡层；在电子阻挡层远离有源发光层的一侧生长第二半导体层。
另一方面，本申请提供了一种基于前述的方法制造的发光二极管，至少包括：衬底；缓冲层，设置在所述衬底的一侧；发光外延层，包括依次层叠设置于所述缓冲层远离所述衬底一侧的第一半导体层、有源发光层、电子阻挡层以及第二半导体层。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请在相同的第一生长温度下完成衬底的高温处理和缓冲层的生长，且不需要花费较长地时间等待衬底冷却再生长缓冲层，缩短了发光二极管的制造周期，降低了生产成本，提高了生产效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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。其中：
图1是根据本申请一实施例的发光二极管的制造方法的流程示意图；
图2是图1所示的流程示意图的各制程阶段的发光二极管的结构示意图；
图3是根据本申请一实施例的发光二极管的结构示意图；
图4是根据本申请另一实施例的发光二极管的结构示意图。
具体实施方式
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的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。
如图1和2所示，根据本申请一实施例的发光二极管10的制造方法。
该发光二极管10的制造方法包括以下步骤：
S10：提供一衬底11。
需要说明的是，衬底11可以为适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石，或者可以为GaN、硅、SiC、AlN等与GaN的晶格失配度小于2％的单晶材料。
S20：在第一生长温度下，对衬底11进行高温处理。
可以理解的是，衬底11材料与发光外延层的GaN材料之间会由于异质外延而产生晶格失配和热失配，进而在衬底11与第一半导体层13之间的接触界面处产生难以消除的应力和缺陷，为此，需要先将衬底11置于第一生长温度和氢气氛围中清洁净化，再在衬底11的一侧生长缓冲层12。
其中，第一生长温度为520-3000℃，例如520℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃。
S30：对衬底11不进行降温处理，且在第一生长温度下在衬底11上生长缓冲层12。
本步骤中，可以通过常规的金属有机化合物化学气相沉淀(Metal-organicChemical Vapor Deposition，MOCVD)工艺或可以借助于诸如物理气相沉积、溅射、氢气相沉积法或原子层沉积工艺，在第一生长温度下，在衬底11的一侧上生长缓冲层12，缓冲层12能够协调GaN材料和衬底11之间的晶格失配和热失配。
需要说明的是，本申请在相同的第一生长温度下完成衬底11的高温处理和缓冲层12的生长，因此，对衬底11不进行降温处理，能够缩短制造周期。
其中，缓冲层12的材料可以是GaN、AlN、AlGaN中的至少一种。
S40：在第二生长温度下，在缓冲层12远离衬底11的一侧生长第一半导体层13。
本步骤中，可以采用MOCVD、分子束外延(Molecular beam epitaxy，MBE)等生长方法，在第二生长温度下，在缓冲层12远离衬底11的一侧生长第一半导体层13。
其中，在第一半导体层13为n型半导体层时，缓冲层12的材料可以为n型GaN缓冲层12，缓冲层12的材料具体可以为掺杂Si、Ge及Sn中至少一种的GaN层；在第一半导体层13为p型半导体层时，缓冲层12的材料可以为p型GaN缓冲层12，缓冲层12的材料具体可以为掺杂Mg、Zn、Be、Ca、Sr及Ba中至少一种的GaN层。
其中，第二生长温度为1000～3200℃，例如1000℃、1100℃或1200℃。
具体而言，可以缓冲层12远离衬底11的一侧生长非故意掺杂GaN层131，在该非故意掺杂GaN层131生长一n型GaN层132。
S50：在第三生长温度下，在第一半导体层13远离缓冲层12的一侧生长有源发光层14。
本步骤中，可以采用MOCVD、MBE等生长方法，在第三生长温度下，在第一半导体层13远离缓冲层12的一侧生长有源发光层14。
有源发光层14可以为InGaN/GaN超晶格量子阱，InGaN/GaN超晶格量子阱为周期层叠的InGaN势阱层和GaN势垒层的超晶格结构，其中，周期可以为3～35。
其中，第三生长温度为700～900℃，例如700℃、800℃或900℃。
S60：在有源发光层14远离第一半导体层13的一侧生长电子阻挡层15。
本步骤中，通过生长电子阻挡层15，能够更好的减少电子阻挡层15和之前材料的界面极化和晶格适配，并且能够降低p层空穴的注入势能，极大的增大了有源发光层14的电子和空穴有效发光复合几率，提升发光效率，同时也降低了正向电压。
S70：在电子阻挡层15远离有源发光层14的一侧生长第二半导体层16。
其中，在第一半导体层13为n型半导体层时，第二半导体层16为p型半导体层；在第一半导体层13为p型半导体层时，第二半导体层16为n型半导体层。
具体而言，电子阻挡层15远离有源发光层14的一侧生长p型轻掺杂GaN层161，在该p型轻掺杂GaN层161上生长一p型重掺杂GaN层162。
需要说明的是，本申请的发光二极管10不限于正装、垂直或倒装结构。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请在相同的第一生长温度下完成衬底11的高温处理和缓冲层12的生长，且不需要花费较长地时间等待衬底11冷却再生长缓冲层12，缩短了发光二极管10的制造周期，降低了生产成本，提高了生产效率。
如图3～4所示，根据本申请一实施例的发光二极管10，其至少包括：衬底11、缓冲层12、发光外延层。
在本实施例中，衬底11可以为适合GaN及其半导体外延材料生长的材料，如蓝宝石，或者可以为GaN、硅、SiC、AlN等与GaN的晶格失配度小于2％的单晶材料，在此不作限定。衬底11的高温处理温度为520～3000℃，例如520℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃。
缓冲层12设置在所述衬底11的一侧。缓冲层12的生长温度为520～3000℃，例如520℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃。缓冲层12的生长温度与衬底11的高温处理温度相同。
在一实施例中，缓冲层12可以为单一的GaN缓冲层、AlN缓冲层或AlGaN缓冲层，缓冲层12也可以为超晶格缓冲层12，该超晶格缓冲层12为由若干对AlGaN缓冲层/AlN缓冲层/GaN缓冲层交替堆叠组成的超晶格结构。上述缓冲层12可缓解衬底11和第一半导体层13的GaN晶格不匹配所造成的晶格失配问题，从而大大降低发光外延层在整个高温生长过程中的翘曲，提升发光外延层波长集中性及良率，同时有效提升GaN晶格质量，减少晶格位错密度，使发光二极管10的光电特性更为稳定。其中，缓冲层12的厚度为10～50nm，例如10nm、20nm、30nm、40nm或50nm。
发光外延层包括依次层叠设置于所述缓冲层12远离所述衬底11一侧的第一半导体层13、有源发光层14、电子阻挡层15以及第二半导体层16。
在一实施例中，第一半导体层13包括依次层叠设置于缓冲层12远离衬底11一侧的非故意掺杂GaN层(u-GaN层)131和n型GaN层132。第一半导体层13的厚度为1.5～4.5μm，例如1.5μm、2.5μm、3.0μm、4.0μm或4.5μm。
第一半导体层13的生长温度为1000～3200℃，例如1000℃、1100℃或1200℃。
其中，n型GaN层132中Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1019cm-3。
在一实施例中，有源发光层14可以为InGaN/GaN超晶格量子阱，InGaN/GaN超晶格量子阱为周期层叠的InGaN势阱层和GaN势垒层超晶格结构，其中，周期可以为3～35。
其中，InGaN势阱层的厚度为1.0～5.0nm，例如1.0nm、2.0nm、3.0nm、4.0nm或5.0nm。GaN势垒层的厚度为1.0～35.0nm，例如1.0nm、5.0nm、10.0nm或15.0nm。
上述有源发光层14的生长温度为700～900℃，例如700℃、800℃或900℃。
其中，InGaN/GaN超晶格量子阱的调制层中，In的组份可以为5～20％。
其中，InGaN/GaN超晶格量子阱的使用转速为每分钟400～600转。
在一实施例中，电子阻挡层15为p型AlGaN层，p型AlGaN层的厚度为30～80nm，例如30nm、40nm、50nm、60nm、70nm或80nm。
在一实施例中，p型AlGaN层中Mg的掺杂浓度为5×1018cm-3～3.5×1019cm-3。
通过生长电子阻挡层15，能够更好的减少电子阻挡层15和之前材料的界面极化和晶格适配，并且能够降低p层空穴的注入势能，极大的增大了有源发光层14的电子和空穴有效发光复合几率，提升发光效率，同时也降低了正向电压。
在一实施例中，第二半导体层16包括依次层叠设置于电子阻挡层15远离有源发光层14一侧的p型轻掺杂GaN层161和p型重掺杂GaN层162，p型轻掺杂GaN层161的厚度为30～350nm，p型重掺杂GaN层162的厚度为10～50nm。
其中，p型轻掺杂GaN层161中Mg的掺杂浓度为5×1018cm-3～1×1020cm-3。p型重掺杂GaN层162中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3。
本申请的有益效果是：区别于现有技术的情况，本申请在相同的第一生长温度下完成衬底11的高温处理和缓冲层12的生长，且不需要花费较长地时间等待衬底11冷却再生长缓冲层12，缩短了发光二极管10的制造周期，降低了生产成本，提高了生产效率。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，所述方法包括：
提供一衬底；
在第一生长温度下，对所述衬底进行高温处理；
对所述衬底不进行降温处理，且在所述第一生长温度下在所述衬底上生长缓冲层；
在第二生长温度下，在所述缓冲层远离所述衬底的一侧生长第一半导体层；
在第三生长温度下，在所述第一半导体层远离所述缓冲层的一侧生长有源发光层；
在所述有源发光层远离所述第一半导体层的一侧生长电子阻挡层；
在所述电子阻挡层远离所述有源发光层的一侧生长第二半导体层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第一生长温度为520～3000℃；
所述第二生长温度为1000～3200℃；
所述第三生长温度为700～900℃。
3.一种基于权利要求1～2任一项所述的方法制造的发光二极管，其特征在于，至少包括：
衬底；
缓冲层，设置在所述衬底的一侧；
发光外延层，包括依次层叠设置于所述缓冲层远离所述衬底一侧的第一半导体层、有源发光层、电子阻挡层以及第二半导体层。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，
所述缓冲层的材料为GaN、AlN、AlGaN中的至少一种；
所述缓冲层的厚度为10～50nm。
5.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述第一半导体层包括依次层叠设置于所述缓冲层远离所述衬底一侧的非故意掺杂GaN层和n型GaN层；
所述第一半导体层的厚度为1.5～4.5μm。
6.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述n型GaN层中Si的掺杂浓度为1×1018cm-3～3×1019cm-3。
7.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述有源发光层为InGaN/GaN超晶格量子阱，其中，InGaN势阱层的厚度为1.0～5.0nm，GaN势垒层的厚度为1.0～35.0nm。
8.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层为p型AlGaN层，所述p型AlGaN层的厚度为30～80nm。
9.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，
所述p型AlGaN层中Mg的掺杂浓度为5×1018cm-3～3.5×1019cm-3。
10.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述第二半导体层包括依次层叠设置于所述电子阻挡层远离所述有源发光层一侧的p型轻掺杂GaN层和p型重掺杂GaN层，所述p型轻掺杂GaN层的厚度为30～350nm，所述p型重掺杂GaN层的厚度为10～50nm。
11.根据权利要求10所述的发光二极管，其特征在于，
所述p型轻掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度为5×1018cm-3～1×1020cm-3；
所述p型重掺杂GaN层中Mg的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1020cm-3。
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