CN113540301B - 一种发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种发光二极管及其制作方法，至少包括衬底，以及依次层叠于所述衬底之上的第一半导体层、应力释放层、有源层和第二半导体层，所述第一半导体层与所述应力释放层之间设有不含Al且不含In的第三半导体层，所述第三半导体层与应力释放层之间设有含Al的第四半导体层，所述第四半导体层与第三半导体层的厚度比为1:5~1:100。本发明可以有效降低电子的迁移速率，降低非辐射复合的几率并改善Droop效应，提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体领域，尤其涉及一种发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管（英文：Light Emitting Diode，简称：LED）是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光，可以高效地将电能转化为光能。发光二极管通常采用不同的半导体材料和结构，实现从紫外到红外的全色范围。
随着LED产业的持续发展，近年来Efficiency Droop现象，即随着注入电流的增加，外量子效应下降的问题变成了制约LED替代传统白炽灯和节能灯的瓶颈，而空穴电子的浓度差异和迁移率差异被认为较为主要的引起Droop效应的原因。
为了解决这一问题，通常在穿透位错区域（英文：Threading Dislocations，简称：TD）设计V型坑（V-pits）以提升电子空穴注入效率，促进电子空穴复合，从而提高光效、改善Droop现象。然而，V型坑的存在也会带来负面影响，例如，电子空穴容易在穿透位错区域内发生非辐射复合，进而影响发光效率。
发明内容
为了解决上述的技术问题，具体技术方案如下：
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种发光二极管，至少包括衬底，以及依次层叠于所述衬底之上的第一半导体层、应力释放层、有源层和第二半导体层，其特征在于，所述第一半导体层与所述应力释放层之间设有不含Al且不含In的第三半导体层，所述第三半导体层与应力释放层之间设有含Al的第四半导体层，所述第四半导体层与第三半导体层的厚度比为1:5~1:100。
优选的，所述第四半导体层与第三半导体层的厚度比为1:10~1:60。
优选的，所述第三半导体层的厚度范围为30nm~100nm。
优选的，所述第三半导体层的厚度范围为30nm~60nm。
优选的，所述第四半导体层的厚度范围为1nm~6nm。
优选的，所述第三半导体层为非故意掺杂或者N型掺杂的GaN层。
优选的，所述第四半导体层包括分子式AlxInyGa1-x-yN表示的化合物，其中， 0＜x≤1，0≤y≤1。
优选的，所述第四半导体层的Al组分含量为0.1%~10%。
优选的，所述第四半导体层靠近第三半导体层一侧的Al组分最高，靠近应力释放层一侧的Al组分最低。
优选的，所述第四半导体层为单层结构或者多层结构。
优选的，所述第四半导体层的Al组分由第三半导体层至应力释放层的方向上逐渐减小。
优选的，所述衬底和第一半导体层之间还包括缓冲层。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上生长第一半导体层；
在所述第一半导体层上生长不含Al且不含In的第三半导体层；
在所述第三半导体层上生长含Al的第四半导体层，所述第四半导体层与第三半导体层的厚度比为1:5~1:100；
在第四半导体层上依次生长应力释放层、有源层和第二半导体层。
优选的，所述第三半导体层的生长温度为700~800℃，第四半导体层的生长温度为650~800℃。
优选的，所述第三半导体层和第四半导体层的生长压力相同或者不同。
优选的，所述第三半导体层和第四半导体层的生长压力均为100~300Torr。
通过在第一半导体层与应力释放层之间依次设置不含Al且不含In的第三半导体层和含Al的第四半导体层，以释放生长过程中的应力，并有效降低电子的迁移速率，减少电子溢流，使得更多的电子在有源层内与空穴进行辐射复合，从而降低非辐射复合的几率并改善Droop效应，进而提高发光二极管的发光效率。
附图说明
图1是本发明提供的一种发光二极管的剖视结构示意图；
图2是现有发光二极管的剖视结构示意图；
图3是现有发光二极管的V型坑示意图；
图4是本发明提供的一种发光二极管的V型坑示意图；
图5为本发明提供的一种发光二极管与现有发光二极管的Droop效果-亮度对比图；
图6是本发明提供的一种发光二极管的制备方法的流程示意图。
具体实施例
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。需说明的是，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。
图1是本发明提供的一种发光二极管的结构示意图。
参看附图1，本发明的一种发光二极管至少包括衬底11，以及依次层叠于衬底11之上的第一半导体层13、应力释放层14、有源层15和第二半导体层16，第一半导体层13与应力释放层14之间设有不含Al且不含In的第三半导体层17，第三半导体层17与应力释放层14之间设有含Al的第四半导体层18。
衬底11选用蓝宝石衬底11，但不以此为限，例如可为Al2O3、SiC、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP以及Ge中的任意一种或者几种的组合，还可以对衬底11进行图形化处理，改变光的传播路径，从而增加发光二极管的出光效率。本发明对此不作特别限制。
第一半导体层13和第二半导体层16均可以为III-V族化合物形成的半导体层，其中，第一半导体层13包括为未掺杂层131和N型掺杂层132。未掺杂层131、N型掺杂层132和第二半导体层16均可以为单层结构或者多层结构。N型掺杂层132掺杂n型杂质，例如Si、Ge或者Sn，以提供电子；第二半导体层16掺杂p型杂质，例如Mg、Zn、Ca、 Sr、或者Ba，以提供空穴。本发明不排除其他的元素等效替代的掺杂。衬底11和第一半导体层13之间还可以包括缓冲层12，用以减小衬底11与第一半导体层13两者之间的晶格失配。
有源层15是发光二极管的实际发光区域，位于第一半导体层13和第二半导体层16之间，通常包括In的材料，是由量子阱和量子垒交替层叠形成的单量子阱或者多量子阱结构，量子阱的能隙低于量子垒的能隙，使得第一半导体层13提供的电子和第二半导体层16提供的空穴会在有源层15内发生辐射复合，实现发光。发光二极管发光的颜色取决于有源层15化合物半导体层的材料。
应力释放层14设置于有源层15前，以释放生长过程中产生的应力。应力释放层14包括交替层叠的阱层和垒层，例如阱层为InGaN，垒层为GaN。
实际情况下，在发光二极管的生长过程中由于生长材料之间晶格不匹配，会产生很多位错，部分位错沿外延生长方由第一半导体层13向第二半导体层16延伸，甚至穿透整个发光二极管。
参看附图2，现有发光二极管包括衬底21，以及依次层叠于衬底21之上的缓冲层22、第一半导体层23、第三半导体层27、应力释放层24、有源层25和第二半导体层26。
其中，第三半导体层27的穿透位错区域具有较高密度的V型坑，第三半导体层27作为V型坑的起始形成层，V型坑随着生长方向延伸并穿透应力释放层24以及有源层25区域，最终被第二半导体层26覆盖形成平整的表面。参看附图3，V型坑在由第三半导体层27向第二半导体层26方向延伸的过程中，开口逐渐增大，V型坑在外延生长过程中，可以释放生长应力，提高外延层的生长质量。然而较大开口的V型坑会减弱抑制非辐射复合的效力。
本实施例在第三半导体层17和应力释放层14之间插入第四半导体层18。第四半导体层18具有较高的势垒，可以在一定程度上减慢电子的迁移速率，改善电子溢流现象，且可以缩小V型坑的开口，使V型坑在后续的外延层生长中，开口相对缩小。
其中，第三半导体层17为不含Al且不含In的结构层，形成V型坑，以释放生长过程中的应力；第四半导体层18采用含Al的结构层，缩小V型坑的开口，减弱电子和空穴的非辐射复合，从而增加发光效率。
第三半导体层17不含Al且不含In，因为若第三半导体层17中掺杂Al，则第三半导体层17不易成膜成形，也不易形成V型坑；若第三半导体层17中掺杂In，则易存在双峰异常问题。
第四半导体层18为含Al结构层，在一些实施例中可以掺杂In，当在第四半导体层18掺杂In时，需要限定In的组分含量在较低水平，以避免在低温环境下生长存在的双峰异常问题。
具体地，第三半导体层17为非故意掺杂或者N型掺杂的GaN层。第四半导体层18包括分子式AlxInyGa1-x-yN表示的化合物，其中， 0＜x≤1，0≤y≤1。
参看附图4，第四半导体层18中，由于Al组分的存在，可以改变V型侧壁的延伸方向，使V型坑侧壁向开口中间转向，以缩小开口大小，减少电子进入V型坑的几率，进而减弱电子和空穴在V型坑中发生的非辐射复合，从而增加发光效率。同时，含Al的第四半导体层18，势垒较高，可以降低电子的迁移速率，阻碍电子迁移至V型坑处参与非辐射复合，使得更多的电子能在有源层内与空穴进行辐射复合，从而改善Droop效应，进一步提高发光二极管的发光效率。
除此之外，在V型坑的形成阶段（第四半导体层18）引入Al组分，可以有效阻断位错，减少穿透位错处电子的击穿，改善V型坑引起的漏电流偏大的问题，提高LED芯片的电性能。
第四半导体层18可以以单层结构或多层结构形成。进一步地，当第四半导体层18为单层结构时，第四半导体层18的材料可以选用AlN、AlGaN、InAlGaN或者AlInN中的一种，优选AlN或者AlGaN。
当第四半导体层18为多层结构时，每层结构均为含Al的材料层，可以由相同的含Al材料形成多层结构，也可以由至少两种含Al材料形成的多层结构，例如可以为AlN/AlGaN、AlN/InAlGaN、AlGaN/InAlGaN等，优选AlN/AlGaN。多层结构中还可以包括以上所述材料的超晶格结构。
参看附图4，第四半导体层18Al组分较低，优选Al组分为0.1%~10%。
第三半导体层17形成的V型坑，在第四半导体层18中开口缩小，随后在后续的应力释放层14和有源层15中继续延伸，V型坑开口再逐渐增大。如果第四半导体层18将第三半导体层17形成的V型坑填平，则V型坑不能继续延伸，也无法在随后的应力释放层14和有源层15中释放应力。因此，第四半导体层18的作用是缩小V型坑的开口，而非填平V型坑。而如果第四半导体层18的Al组分较高，则会将第三半导体层17形成的V型坑覆盖并填平。因此，设定第四半导体层18的Al组分为0.1%~10%。当Al组分低于0.1%时，则无法起到缩小V型坑开口的作用，而当Al组分大于10%时，第四半导体层18将会填平V型坑。
进一步地，第四半导体层18可以设置为靠近第三半导体层17的一侧的Al组分含量较高，而靠近应力释放层14的一侧的Al组分最低。优选地，第四半导体层18的Al组分沿第三半导体层17至应力释放层14的方向上逐渐减小，可以是渐变式减小，可以是均匀渐变式减小，也可以是梯度渐变式减小。
靠近第三半导体层17的第四半导体18的Al组分最高，可以以保证在不覆盖填平V型坑的同时尽可能的减小V型坑的开口角度，从而降低电子进入V型坑的几率，进而改善Droop效应；而靠近应力释放层14的一侧的Al组分最低，以减小第四半导体层18与应力释放层14之间晶格失配的问题。
进一步地，第三半导体层17的厚度大于第四半导体层18的厚度。经实验验证，本发明将第四半导体层18与第三半导体层17的厚度比设定为1:5~1:100时，改善效果明显。若厚度比值过高，即第四半导体层18厚度较厚，易出现晶格失配的缺陷；若厚度比值过小，即第四半导体层18厚度较薄，则无法有效降低Droop效应。
本实施例的第四半导体层18与第三半导体层17的厚度比进一步优选为 1:10~1:60。具体地，第三半导体层17的厚度范围为30nm~100nm。厚度范围进一步优选为30nm~60nm。第四半导体层18的厚度范围为1nm~6nm。此时，对发光效率的提高，以及Droop的改善效果最佳。通过限定第三半导体层17的厚度，以便于得到未完全成型，但具有雏形的V型坑。之所以需要未完全成型的V型坑，是因为若V型坑生长完全成型后再生长第四半导体层18，当前的应力较大，能带结构更趋向于InGaN的性质，并且，此时想缩小V型坑，则需要引入较高厚度的第四半导体层18才能实现，然而较高厚度的第四半导体18层容易导致晶格失配。
本发明可适用于任何电流密度的发光二极管产品，尤其适用于高电流密度的产品。参看附图5，图示的横坐标表示为发光二极管的测试电流，纵坐标表示为发光二极管的发光效率。我们发现随着测试电流的逐渐增加，发光二极管的发光效率先是逐渐增加，后开始逐渐减小，此现象即为背景技术中所提到的Droop效应。附图5是现有技术以及本发明的对比实验结果，其中现有技术，即在第一半导体体层23上设置第三半导体层27；而本发明是在第一半导体层13上依次设置第三半导体层17、第四半导体层18，并搭配合适的厚度比。图示中虚线A为现有LED的测试结果， 实线B为本发明LED的测试结果。
本实验假定测试电流为20ma时，发光二极管的发光效率为100%。
| 测试电流（ma） | 现有技术发光效率 | 本发明发光效率 |
| 0 | 0% | 0% |
| 20 | 100% | 100% |
| 120 | 95.3% | 96.8% |
| 400 | 83.6% | 85.5% |
参看附图5并结合上表可知，当测试电流为120ma时，现有技术的发光二极管的发光效率为95.3%，而本发明的发光效率则为96.8%，相当于Droop降低1.5%；当测试电流为400ma，现有技术的发光二极管的发光效率为83.6%，而本发明的发光效率则为85.5%，相当于Droop降低1.9%。随着测试电流的增大，对Droop效应改善的效果便越明显，本发明的LED的发光效率明显高于传统的LED。
图6是本发明实施例提供的一种发光二极管的制备方法流程图。
参看附图6，本发明还提供一种发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
1)提供一衬底11；衬底11优选为蓝宝石衬底。
2)在衬底11上生长第一半导体层13；采用MOCVD法生长第一半导体层13。
在衬底11与第一半导体层13之间还可以采用PVD法或者MOCVD法生长形成缓冲层12，以减小两者之间的晶格失配。
3)在第一半导体层13上生长不含Al且不含In的第三半导体层17；采用MOCVD法生长厚度为30nm~100nm的第三半导体层17，优选，生长厚度为30nm~60nm的第三半导体层17，以得到未完全成型，但具有雏形的V型坑。其中，第三半导体层17优选为GaN层，具体生长温度为700~800℃，生长压力100~300Torr，在此条件下，能得到表面具有较高密度V型坑的第三半导体层17，V型坑的密度需要生长至1E8~5E8/cm2。
4) 在第三半导体层17上生长含Al的第四半导体层18；采用MOCVD法生长厚度为1nm~6nm的第四半导体层18。一般地，第四半导体层18与第三半导体层17的厚度比为1:5~1:100，进一步优选为 1:10~1:60，即可得到有效改善Droop效应的结构。其中，第四半导体层18的生长温度为650~800℃，第四半导体层18和第三半导体层17的生长压力可以相同或者不相同，通常生长压力为100~300Torr。
5) 在第四半导体层18上依次生长应力释放层14、有源层15和第二半导体层16；采用MOCVD的生长方式，具体地，先在生长温度及生长压力分别为850~900℃、100~300Torr的条件下，于第四半导体层18上生长应力释放层14，应力释放层14生长的厚度大于第三半导体层17生长的厚度。应力释放层14生长完毕后，开始生长有源层15，有源层15生长完毕后，最后生长第二半导体层16。
本发明通过在第一半导体层13与应力释放层14之间依次设置不含Al的第三半导体层17和含Al的第四半导体层18，以释放生长过程中的应力，并有效降低电子的迁移速率，减少电子溢流，使得更多的电子在有源层内与空穴进行辐射复合，从而降低非辐射复合的几率并改善Droop效应，进而提高发光二极管的发光效率。
应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种发光二极管，至少包括衬底，以及依次层叠于所述衬底之上的第一半导体层、应力释放层、有源层和第二半导体层，
其特征在于，所述第一半导体层与所述应力释放层之间设有不含Al且不含In的第三半导体层，所述第三半导体层与应力释放层之间设有含Al的第四半导体层，所述第四半导体层的Al组分含量为0.1%~10%，所述第四半导体层与第三半导体层的厚度比为1:5~1:100。
2.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第四半导体层与第三半导体层的厚度比为1:10~1:60。
3.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第三半导体层的厚度范围为30nm~100nm。
4.根据权利要求3所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第三半导体层的厚度范围为30nm~60nm。
5.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第四半导体层的厚度范围为1nm~6nm。
6.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第三半导体层为非故意掺杂或者N型掺杂的GaN层。
7.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第四半导体层包括分子式AlxInyGa1-x-yN表示的化合物，其中， 0＜x≤1，0≤y≤1。
8.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第四半导体层靠近第三半导体层一侧的Al组分最高，靠近应力释放层一侧的Al组分最低。
9.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于：所述第四半导体层为单层结构或者多层结构。
10.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述第四半导体层的Al组分由第三半导体层至应力释放层的方向上逐渐减小。
11.根据权利要求1所述的一种发光二极管，其特征在于，所述衬底和第一半导体层之间还包括缓冲层。
12.一种发光二极管的制作方法，包括如下步骤：
提供一衬底；
在所述衬底上生长第一半导体层；
在所述第一半导体层上生长不含Al且不含In的第三半导体层；
在所述第三半导体层上生长含Al的第四半导体层，所述第四半导体层的Al组分含量为0.1%~10%，所述第四半导体层与第三半导体层的厚度比为1:5~1:100；
在第四半导体层上依次生长应力释放层、有源层和第二半导体层。
13.根据权利要求12所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，所述第三半导体层的生长温度为700~800℃，第四半导体层的生长温度为650~800℃。
14.根据权利要求12所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，所述第三半导体层和第四半导体层的生长压力相同或者不同。
15.根据权利要求12所述的一种发光二极管的制作方法，其特征在于，所述第三半导体层和第四半导体层的生长压力均为100~300Torr。
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