CN114156373B - 发光二极管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管的制备方法，包括如下步骤：提供GaN衬底；通过掩膜法结合微区域元素扩散掺杂技术，在GaN衬底内掺杂元素以形成沿着依次连接的p‑GaN层、量子阱层和n‑GaN层；在GaN衬底上形成间隔设置的第一导电层和第二导电层，第一导电层与p‑GaN层电连接，第二导电层与n‑GaN层电连接；在第一导电层上设置第一电极，在第二导电层上设置第二电极。这种发光二极管的制备方法在GaN衬底内掺杂元素以形成沿着GaN衬底的平面方向依次连接的p‑GaN层、量子阱层和n‑GaN层。这种发光二极管的制备方法通过掺杂的方式形成P‑N结，从而无需外延生长设备。与传统方法相比，这种发光二极管的制备方法降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及电致发光技术领域，尤其是涉及一种发光二极管的制备方法。
背景技术
发光二极管已广泛用于照明、显示、通信等多个领域。目前光二极管的一大趋势是小型化、轻薄化。将光二极管缩小至微纳米尺寸后，有利于光学集成，推动新一代显示光源、低能耗的光互联和光通讯（如Li-Fi）、AR技术的发展。基于氮化镓（GaN）半导体掺杂的蓝光LED具有高效率、低功耗、较环保等特点。同时氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和电子速率大、热导率高、化学性质稳定和抗辐射能力强等优点,可广泛用于光电子领域，如光学照明光源、半导体激光器以及高温、高频、大功率射频器件。
目前成熟传统的氮化镓LED芯片主要制备流程可简化为：一是衬底制备，用有机溶剂和酸液清洗蓝宝石衬底后，采用干法刻蚀制备出图形化蓝宝石衬底。二是中间层制备，利用MOCVD进行气相外延，在高温条件下分别进行GaN缓冲层、N型GaN层、多层量子阱、P型GaN层生长制备。三是台阶刻蚀，在外延片表面形成图形化光刻胶，之后利用感应耦合等离子体刻蚀（ICP）工艺刻蚀到N型GaN层。四是导电层制备，在样品表面溅射或蒸镀氧化铟锡（ITO）导电层，光刻形成图形化ITO导电层。五是电极制备，采用剥离法等方法制备出图形化光刻胶，电子束蒸发Au后利用高压剥离机对光刻胶进行剥离。最后沉积SiO2钝化层，并对该钝化层进行刻蚀。对LED结构进行的后续改良包括倒装结构或者垂直型结构，以提高出光效率及散热效率等。
针对纳米尺寸的发光二极管的加工制造，通常需要分子束外延生长、光刻或电子束刻蚀、ICP刻蚀、化学刻蚀等制造流程，过程复杂时间长，设备要求高，生产成本较高。
发明内容
基于此，有必要提供一种生产成本相对较低的发光二极管的制备方法。
一种发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
提供GaN衬底；
通过掩膜法结合微区域元素扩散掺杂技术，在所述GaN衬底内掺杂元素以形成沿着所述GaN衬底的平面方向依次连接的p-GaN层、量子阱层和n-GaN层；
在所述GaN衬底上形成间隔设置的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层与所述p-GaN层电连接，所述第二导电层与所述n-GaN层电连接；以及
在所述第一导电层上设置第一电极，在所述第二导电层上设置第二电极。
这种发光二极管的制备方法通过掩膜法结合微区域元素扩散掺杂技术，在GaN衬底内掺杂元素以形成沿着GaN衬底的平面方向依次连接的p-GaN层、量子阱层和n-GaN层。
这种发光二极管的制备方法可以用于纳米尺寸的发光二极管的加工制造，并且与传统方法相比，减少了工艺流程步骤，而且通过掺杂的方式形成P-N结，从而无需外延生长设备。与传统方法相比，这种发光二极管的制备方法用于纳米尺寸的发光二极管的加工制造时，降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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。
其中：
图1为一实施方式的发光二极管的制备方法的流程图。
图2为一实施方式的如图1所示的发光二极管的制备方法制得的发光二极管的侧面结构示意图。
图3为如图2所示的发光二极管的俯视图。
图4为另一实施方式的如图1所示的发光二极管的制备方法制得的发光二极管的侧面结构示意图。
图5为如图4所示的发光二极管的俯视图。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示的一实施方式的发光二极管的制备方法，结合图2和图3，包括如下步骤：
S10、提供GaN衬底100。
GaN衬底100可以为GaN-on-Si(硅基氮化镓)、GaN-on-SiC(碳化硅基氮化镓)或蓝宝石基氮化镓晶圆。
S20、通过掩膜法结合微区域元素扩散掺杂技术，在GaN衬底100内掺杂元素以形成沿着GaN衬底100的平面方向依次连接的p-GaN层400、量子阱层500和n-GaN层600。
本实施方式中，p-GaN层400的材料为Mg掺杂的GaN。
本实施方式中，量子阱层500为In掺杂的GaN
本实施方式中，n-GaN层600的材料为Si掺杂的GaN。
结合图2和图3，S20为：在GaN衬底100设置依次相邻的第一区域、第二区域和第三区域，在GaN衬底100上设置第一掩膜，使得第一区域暴露并且第二区域和第三区域均被第一掩膜覆盖，采用微区域元素扩散掺杂技术在第一区域掺杂Mg，形成p-GaN层400；接着将第一掩膜去除，在GaN衬底100上设置第二掩膜，使得第二区域暴露并且第一区域和第三区域均被第二掩膜覆盖，采用微区域元素扩散掺杂技术在第二区域掺杂In，形成量子阱层500；接着将第二掩膜去除，在GaN衬底100上设置第三掩膜，使得第三区域暴露并且第一区域和第二区域均被第三掩膜覆盖，采用微区域元素扩散掺杂技术在第三区域掺杂Si，形成n-GaN层600，最后去除第三掩膜。
这里需要指出的是，p-GaN层400和n-GaN层600的形成顺序可以互换，不影响发光二极管的制备。
优选的，p-GaN层400中，Mg的掺杂比例为0.01at%～10at%。
优选的，量子阱层500中，In的掺杂比例为0.01at%～1at%。
优选的，n-GaN层600中，Si的掺杂比例为0.01at%～5at%。
优选的，微区域元素扩散掺杂技术为热扩散法、离子注入法、聚焦离子束辅助沉积技术或聚焦离子束界面元素混合技术。
具体来说，微区域元素扩散掺杂技术为微区域元素扩散掺杂技术为离子注入法时，在GaN中注入Mg离子和Si离子之后,在约1000℃~1200℃下退火，分别形成p区和n区。
其中，每种元素的注入剂量为5×1014cm-2，Si的载流子激活率为93%，Mg的是62%，量子阱退火温度在850℃～1050℃，气体的流量为5×10-5摩尔/分钟。
优选的，p-GaN层400的厚度为5nm~20nm，p-GaN层400的掺杂深度为90nm~130nm。
更优选的，p-GaN层400的厚度为5nm，p-GaN层400的掺杂深度为120nm。
优选的，量子阱层500的厚度为1nm~8nm，量子阱层500的掺杂深度为90nm~130nm。
更优选的，量子阱层500的厚度为2nm，量子阱层500的掺杂深度为120nm。
优选的，n-GaN层600的厚度为5nm~20nm，n-GaN层600的掺杂深度为90nm~130nm。
更优选的，n-GaN层600的厚度为5nm，n-GaN层600的掺杂深度为120nm。
需要指出的是，本实施方式中，p-GaN层400的厚度、量子阱层500的厚度以及n-GaN层600的厚度，均为p-GaN层400、量子阱层500以及n-GaN层600彼此层叠方向的厚度（即图2中水平方向），掺杂深度则指元素扩散的方向（即图2中竖直方向）。
优选的，p-GaN层400的长度为50nm~500nm，量子阱层500的长度为30nm~500nm，n-GaN层600的长度为30nm~500nm。
更优选的，p-GaN层400的长度为180nm，量子阱层500的长度为180nm，n-GaN层600的长度为180nm。
结合图2和图3，本实施方式中，p-GaN层400、量子阱层500和n-GaN层600组成的P-N结大体上呈长方体状。
在其他的实施方式中，p-GaN层400、量子阱层500和n-GaN层600组成的P-N结还可以为近似球形、或者近似非规范椭球形、或者其他形态的掺杂离子扩散区域形状来示意性表示。掺杂离子扩散区域的最终实际形态将由实际的元素及掺杂工艺条件来决定和形成。
结合图4和图5所示的另一个实施方式的发光二极管，在GaN衬底100’内掺杂元素以形成沿着GaN衬底100’的平面方向依次连接的p-GaN层400’、量子阱层500和n-GaN层600’，p-GaN层400’上依次设有第一导电层200’和第一电极700’，n-GaN层600’上依次设有第二导电层300’和第二电极800’。p-GaN层400’、量子阱层500’和n-GaN层600’组成的P-N结大体呈球形。
S30、在GaN衬底100上形成间隔设置的第一导电层200和第二导电层300，第一导电层200与p-GaN层400电连接，第二导电层300与n-GaN层600电连接。
第一导电层200和第二导电层300的材料相同，可以为In、Pt、Ag、Au等导电金属中的一种。
一般来说，可以通过掩模法结合真空镀膜技术，将第一导电层200和第二导电层300沉积到GaN衬底100上。
真空镀膜技术可以为真空蒸镀、离子束辅助沉积、电子束辅助沉积技术中的一种。
第一导电层200的长度可以为30nm~500nm，且不大于P-N结的长度，第一导电层200的宽度可以为1nm~50nm。
第二导电层300的长度可以为30nm~500nm，且不大于P-N结的长度，第二导电层300的宽度可以为1nm~50nm。
第一导电层200和第二导电层300可以根据实际需求确定，只要能够满足导电即可。
优选的，第一导电层200的长度为180nm，第一导电层200的宽度为100nm，第一导电层200的厚度为2nm。
优选的，第二导电层300的长度为180nm，第二导电层300的宽度为100nm，第二导电层300的厚度为2nm。
S40、在第一导电层200上设置第一电极700，在第二导电层300上设置第二电极800。
第一电极700和第二电极800的材料相同，可以为Pt、Au或Ag。
第一电极700的长度可以为50μm~200μm，第一电极700的长度不大于第一导电层200的长度。第一电极700的宽度可以为5μm~40μm，第一电极700的宽度不大于第一导电层200的宽度。第一电极700的高度可以为100μm~200μm。
第二电极800的长度可以为50μm~200μm，第二电极800的长度不大于第二导电层300的长度。第二电极800的宽度可以为5μm~40μm，第二电极800的宽度不大于第二导电层300的宽度。第二电极800的高度可以为100μm~200μm。
优选的，第一电极700的长度可以为60μm，第一电极700的宽度可以为60μm，第一电极700的高度为50μm。
优选的，第二电极800的长度可以为60μm，第二电极800的宽度可以为60μm，第二电极800的高度为50μm。
这种发光二极管的制备方法通过掩膜法结合微区域元素扩散掺杂技术，在GaN衬底100内掺杂元素以形成沿着GaN衬底100的平面方向依次连接的p-GaN层400、量子阱层500和n-GaN层600。
这种发光二极管的制备方法可以用于纳米尺寸的发光二极管的加工制造，并且与传统方法相比，减少了工艺流程步骤，而且通过掺杂的方式形成P-N结，从而无需外延生长设备。与传统方法相比，这种发光二极管的制备方法用于纳米尺寸的发光二极管的加工制造时，降低了生产成本。
此外，这种发光二极管的制备方法在用于制备纳米尺寸的发光二极管时，能有效减小发光二极管的体积，简化发光二极管包括光照刻蚀等制造步骤，极大降低了生产制造成本，在增强散热的同时，还易于实现和其他器件芯片上的微纳集成。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供GaN衬底；
在GaN衬底设置依次相邻的第一区域、第二区域和第三区域，在GaN衬底上设置第一掩膜，使得第一区域暴露并且第二区域和第三区域均被第一掩膜覆盖，采用微区域元素扩散掺杂技术在第一区域掺杂Mg，形成p-GaN层；接着将第一掩膜去除，在GaN衬底上设置第二掩膜，使得第二区域暴露并且第一区域和第三区域均被第二掩膜覆盖，采用微区域元素扩散掺杂技术在第二区域掺杂In，形成量子阱层；接着将第二掩膜去除，在GaN衬底上设置第三掩膜，使得第三区域暴露并且第一区域和第二区域均被第三掩膜覆盖，采用微区域元素扩散掺杂技术在第三区域掺杂Si，形成n-GaN层，最后去除第三掩膜，形成沿着所述GaN衬底的平面方向依次连接的p-GaN层、量子阱层和n-GaN层，所述p-GaN层的材料为Mg掺杂的GaN，所述量子阱层的材料为In掺杂的GaN，所述n-GaN层的材料为Si掺杂的GaN；
在所述GaN衬底上形成间隔设置的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层与所述p-GaN层电连接，所述第二导电层与所述n-GaN层电连接；以及
在所述第一导电层上设置第一电极，在所述第二导电层上设置第二电极。
2.根据权利要求1所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述p-GaN层中，Mg的掺杂比例为0.01at%～10at%。
3.根据权利要求1所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述n-GaN层中，Si的掺杂比例为0.01at%～5at%。
4.根据权利要求1所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述量子阱层中，In的掺杂比例为0.01at%～1at%。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述微区域元素扩散掺杂技术为热扩散法、离子注入法、聚焦离子束辅助沉积技术或聚焦离子束界面元素混合技术。
6.根据权利要求5所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述p-GaN层的厚度为5nm~20nm，所述p-GaN层的掺杂深度为90nm~130nm；
所述量子阱层的厚度为1nm~8nm，所述量子阱层的掺杂深度为90nm~130nm；
所述n-GaN层的厚度为5nm~20nm，所述n-GaN层的掺杂深度为90nm~130nm。
7.根据权利要求6所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述p-GaN层的长度为50nm~500nm，所述量子阱层的长度为30nm~500nm，所述n-GaN层的长度为30nm~500nm。
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