CN115172545A - 一种发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种发光二极管及其制备方法。该发光二极管包括：一衬底，该衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一N型模板层，其生长在衬底上；一多量子阱有源区，其生长在N型模板层上；一P型AlGaN电子阻挡层，其生长在多量子阱有源区上；一P型GaN盖层，其生长在P型AlGaN电子阻挡层上；一N电极，其沉积在N型模板层上；一P电极，其沉积在P型GaN盖层上。通过本申请，解决了相关技术中的发光二极管性能较低的技术问题，达到了提升发光二极管性能的技术效果。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种发光二极管及其制备方法。
背景技术
Ⅲ族氮化物(例如，氮化铝AlN、氮化镓GaN和氮化铟InN)及其三元和四元合金材料具有非常宽的可调直接带隙结构，可以覆盖从紫外到红外的宽光谱范围，是当前半导体光电子材料领域的研究热点。特别地，以InGaN/AlGaN多量子阱结构为有源区的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，受到了越来越多的关注。由于可以通过增加Al组分，获得较高的量子势垒，从而增强了InGaN阱对载流子的限制能力，因此有利于获得较高的发光功率。然而，由于AlGaN与InGaN材料之间存在较强烈的晶格失配，较强烈的晶格失配会在InGaN/AlGaN的界面处产生大量压电极化电荷，引起阱内极化电场的增强，加剧了InGaN阱内的能带弯曲程度，导致量子限制斯塔克效应(Quantum Confinement Stark Effect，QCSE)的增强，引起LED性能的恶化。
针对上述的问题，尚未提出有效地解决方案。
发明内容
本申请实施例提供了一种发光二极管及其制备方法，以至少解决相关技术中的发光二极管性能较低的技术问题。
根据本申请实施例的一个方面，提供了一种发光二极管，包括：一衬底，其中，所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；一N型模板层，其生长在所述衬底上；一多量子阱有源区，其生长在所述N型模板层上，其中，所述多量子阱有源区包括依次周期性重复生长于所述N型模板层上的多对InGaN量子阱层和AlGaN量子势垒层；一阶梯量子势垒，其生长在所述多量子阱有源区上，其中，所述阶梯量子势垒为Al组分沿生长方向阶梯形减小的AlGaN层；一P型AlGaN电子阻挡层，其生长在所述阶梯量子势垒上；一P型GaN盖层，其生长在所述P型AlGaN电子阻挡层上；一N电极，其沉积在所述N型模板层上；一P电极，其沉积在所述P型GaN盖层上。
可选地，所述N型模板层为Si掺杂的N型GaN层，其厚度不小于2μm，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。
可选地，所述多量子阱有源区中量子阱层为InGaN层，其厚度为2-5nm。
可选地，所述多量子阱有源区中量子势垒层为AlGaN层，其厚度为10-30nm。
可选地，所述多量子阱有源区的InGaN量子阱层与AlGaN量子势垒层交替生长的重复周期数不小于2。
可选地，所述阶梯量子势垒的阶梯数不小于2，每层阶梯的宽度不小于1nm，沿外延生长方向每层阶梯的Al组分依次递减不小于1％，所述阶梯量子势垒的平均的Al组分与所述多量子阱有源区中的AlGaN量子势垒层一致。
可选地，所述P型AlGaN电子阻挡层为Mg掺杂的AlGaN层，其厚度为20-100nm，Al组分不小于10％。
可选地，所述P型GaN盖层为Mg掺杂的P型GaN层，其厚度为100-500nm，掺杂浓度不小于1×1020cm-3。
可选地，所述N电极和所述P电极分别沉积在刻蚀出的所述N型模板层上和所述P型GaN盖层上。
根据本申请实施例的另一个方面，还提供了一种发光二极管的制备方法，包括：取一衬底，其中，所述衬底的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；在所述衬底上依次生长N型模板层、多量子阱有源区、阶梯量子势垒、P型AlGaN电子阻挡层、P型GaN盖层；通过光刻和刻蚀工艺，形成台面器件结构，并分别在所述N型模板层上和所述P型GaN盖层上沉积N电极和P电极，随后在氮气气氛下退火降温，完成生长。
在本申请实施例中，该发光二极管将与电子阻挡层相连的最后一个AlGaN量子势垒设置成多级阶梯结构，从而增强了量子阱对电子和空穴的捕获和限制能力，增大了多量子阱有源区内的载流子浓度，减弱了极化效应，提高了阱内的载流子辐射复合速率，最终改善了InGaN/AlGaN多量子阱LED在大注入条件下的整体发光性能，进而解决了相关技术中的发光二极管性能较低的技术问题，达到了提升发光二极管性能的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例提供的发光二极管的结构图；
图2为本申请实施例提供的阶梯量子势垒中Al组分沿生长方向的分布情况的示意图；
图3为本申请实施例提供的发光二极管的制备方法的流程图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
11、衬底；12、N型模板层；13、多量子阱有源区；14、阶梯量子势垒；15、P型AlGaN电子阻挡层；16、P型GaN盖层；17、N电极；18、P电极。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
图1为本申请实施例提供的发光二极管的结构图，如图1所示，该发光二极管的结构至少包括：
一衬底11，其中，衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一N型模板层12，其生长在衬底11上；
一多量子阱有源区13，其生长在N型模板层12上，其中，多量子阱有源区13包括依次周期性重复生长于N型模板层12上的多对InGaN量子阱层和AlGaN量子势垒层；
一阶梯量子势垒14，其生长在多量子阱有源区13上，其中，阶梯量子势垒14为Al组分沿生长方向阶梯形减小的AlGaN层；
一P型AlGaN电子阻挡层15，其生长在阶梯量子势垒14上；
一P型GaN盖层16，其生长在P型AlGaN电子阻挡层15上；
一N电极17，其沉积在N型模板层12上；
一P电极18，其沉积在P型GaN盖层16上。
需要说明的是，上述一N电极17与N型模板层12电连接；一P电极18与P型GaN盖层16电连接；上述多量子阱有源区13不包含最后一个量子势垒，上述一阶梯量子势垒14作为最后一个量子势垒。
在本申请实施例中，该发光二极管将与电子阻挡层相连的最后一个AlGaN量子势垒设置成多级阶梯结构，从而增强了量子阱对电子和空穴的捕获和限制能力，增大了多量子阱有源区内的载流子浓度，减弱了极化效应，提高了阱内的载流子辐射复合速率，最终改善了InGaN/AlGaN多量子阱LED在大注入条件下的整体发光性能，进而解决了相关技术中的发光二极管性能较低的技术问题，达到了提升发光二极管性能的技术效果。
对于多量子阱LED而言，其有源区中最后量子阱中的载流子浓度和辐射复合速率，对整个LED器件的发光特性具有十分重要的影响。因此，上述发光二极管通过适当优化器件外延结构，也就是将最后一个AlGaN量子势垒设置成Al组分多级阶梯形变化的结构，不仅提高了对电子的阻挡和限制能力，还增强了空穴的注入效率，使得最后一个InGaN量子阱以及整个有源区内的载流子浓度获得显著提升，并降低了QCSE效应，加快了阱中的载流子辐射复合速率；同时，抑制材料生长过程中晶体缺陷的产生，将有助于提高InGaN/AlGaN多量子阱大功率LED的发光性能。
图2为本申请实施例提供的阶梯量子势垒中Al组分沿生长方向的分布情况的示意图，如图2所示，阶梯量子势垒14沿生长方向Al组分阶梯形减小。在电子阻挡层(Electron-blocking Layer，EBL)和最后一个InGaN阱层之间插入的沿生长方向Al组分阶梯形减小的势垒层能够减小该垒层和EBL之间的极化效应，降低了空穴的注入势垒高度，有利于提高空穴的注入能力，增加了注入最后一个InGaN量子阱中(即有源区内)的空穴浓度。
进一步地，由于极化效应的影响，沿生长方向Al组分阶梯形减小的势垒层结构实际上增加了最后一层AlGaN势垒的导带有效高度，从而增强了对电子的阻挡作用，提高了最后一个InGaN量子阱对电子的捕获能力，进而增大了最后一个量子阱及整个有源区内的电子浓度。
进一步地，沿生长方向Al组分阶梯形减小的势垒层在价带上会形成了一个势阱，使得从P区注入的空穴可以在最后一个势垒层中的积累，并借助量子隧穿效应直接进入最后一个InGaN量子阱中，从而有助于增加最后一个InGaN量子阱及整个有源区内的空穴浓度。
在一种可选的实施方式中，N型模板层12为Si掺杂的N型GaN层，其厚度不小于2μm，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。
可选地，上述N型模板层12采用两步生长法生长获得,即先生长厚度为200nm的低温GaN缓冲层,再生长厚度为2.8μm的高温GaN层。该N型模板层12为Si掺杂,掺杂浓度为2×1018cm-3；
在一种可选的实施方式中，多量子阱有源区13中量子阱层为InGaN层，其厚度为2-5nm；多量子阱有源区13中量子势垒层为AlGaN层，其厚度为10-30nm；多量子阱有源区13的InGaN量子阱层与AlGaN量子势垒层交替生长的重复周期数不小于2。
可选地，上述多量子阱有源区13先生长前四周期的In0.1Ga0.9N/Al0.055Ga0.945N多量子阱层，其中，InGaN层的生长温度为800℃，厚度为3nm；AlGaN层的生长温度为1100℃，厚度为10nm；反应室压力为150Torr，石墨盘转速为1000r/min。之后生长Al组分沿生长方向减小的阶梯形量子势垒14，总计生长十个阶梯，第一阶梯为Al0.1Ga0.9N，随后，通过逐步降低三甲基铝(TMAl)的流速来实现Al组分的阶梯形降低，每生长一个阶梯Al的组分下降1％，最后一个阶梯为Al0.01Ga0.99N，生长温度为1100℃；
在一种可选的实施方式中，阶梯量子势垒14的阶梯数不小于2，每层阶梯的宽度不小于1nm，沿外延生长方向每层阶梯的Al组分依次递减不小于1％，阶梯量子势垒14的平均的Al组分与多量子阱有源区13中的AlGaN量子势垒层一致。
上述阶梯量子势垒14由于采用了沿生长方向Al组分阶梯减小的势垒层结构，不仅增强了最后InGaN量子阱对电子的捕获和限制作用，也同时提高了空穴的注入效率，最终使得最后一个InGaN量子阱及整个有源区内的电子和空穴浓度都获得显著增加，由此引起的显著的载流子屏蔽效应，减弱了阱内的QCSE效应，增大了电子-空穴的辐射复合几率，提高了器件的发光效率和发光功率，提升了大功率LED的性能。
进一步地，沿生长方向Al组分阶梯减小的势垒层中的平均Al组分与InGaN/AlGaN多量子阱有源区内其他势垒层中Al组分一致，因而，在提高了对载流子捕获和限制能力的同时，避免了增加Al组分导致的整个LED结构中总应力的增加，抑制了应力增大引起的晶格弛豫的发生，从而提高了外延材料的晶体质量，有利于高性能大功率LED的制备。
此外，沿生长方向Al组分阶梯形减小的势垒层中Al组分的变化采用了非连续的阶梯形变化方式。从实际的材料生长的角度出发，阶梯形结构比组分渐变结构更容易在外延生长过程中实现，因此，阶梯形AlGaN势垒结构更具有实用性。
在一种可选的实施方式中，P型AlGaN电子阻挡层15为Mg掺杂的AlGaN层，其厚度为20-100nm，Al组分不小于10％。
可选地，不改变反应室温度，直接生长约20nm厚Al组分为15％的Al0.15Ga0.85N电子阻挡层。
在一种可选的实施方式中，P型GaN盖层16为Mg掺杂的P型GaN层，其厚度为100-500nm，掺杂浓度不小于1×1020cm-3。
可选地，将反应室温度降低至1000℃，再生长约300nm厚的P型GaN盖层16，该P型GaN盖层16为Mg掺杂，掺杂浓度为1×1020cm-3。
在一种可选的实施方式中，N电极17和P电极18分别沉积在刻蚀出的N型模板层12上和P型GaN盖层16上。
上述N电极17又称为N型欧姆电极,其是用光刻、镀膜等方法制作在N型模板层12的顶层台面上,该N型欧姆电极可以为点状结构或环形结构。
上述P电极18又称为P型欧姆电极,其是用光刻、镀膜等方法制作在P型GaN盖层16上,其需要用热退火合金工艺来改善P型GaN欧姆接触特性,该P型欧姆电极可以为点状结构或环形结构。
根据本申请实施例的另一个方面，还提供了一种发光二极管的制备方法，图3为本申请实施例提供的发光二极管的制备方法的流程图，如图3所示，该制备方法包括如下步骤：
步骤S302，取一衬底11，其中，衬底11的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
可选地，将衬底11在1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理5-20min，然后进行氮化处理。
步骤S304，在衬底11上依次生长N型模板层12、多量子阱有源区13、阶梯量子势垒14、P型AlGaN电子阻挡层15、P型GaN盖层16；
可选地，上述多量子阱有源区13中的InGaN量子阱层的生长温度为800℃、AlGaN量子势垒层的生长温度为1100℃，上述阶梯量子势垒14的生长温度为1100℃，上述P型AlGaN电子阻挡层15的生长温度为1100℃，上述P型GaN盖层16的生长温度为1000℃。
步骤S306，通过光刻和刻蚀工艺，形成台面器件结构，并分别在N型模板层12上和P型GaN盖层16上沉积N电极17和P电极18，随后在氮气气氛下退火降温，完成生长。
上述N电极17又称为N型欧姆电极，上述P电极18又称为P型欧姆电极。
可选地，通过光刻和刻蚀等工艺，形成台面器件结构，并分别在N型GaN模板层12上和P型GaN盖层16上沉积N型欧姆电极和P型欧姆电极，之后用热退火合金工艺来改善欧姆接触特性并完成器件生长。
在本申请实施例中，采用发光二极管的制备方法得到上述中的发光二极管，该发光二极管将与电子阻挡层相连的最后一个AlGaN量子势垒设置成多级阶梯结构，从而增强了量子阱对电子和空穴的捕获和限制能力，增大了多量子阱有源区内的载流子浓度，减弱了极化效应，提高了阱内的载流子辐射复合速率，最终改善了InGaN/AlGaN多量子阱LED在大注入条件下的整体发光性能，进而解决了相关技术中的发光二极管性能较低的技术问题，达到了提升发光二极管性能的技术效果。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管，其特征在于，包括：
一衬底(11)，其中，所述衬底(11)的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
一N型模板层(12)，其生长在所述衬底(11)上；
一多量子阱有源区(13)，其生长在所述N型模板层(12)上，其中，所述多量子阱有源区(13)包括依次周期性重复生长于所述N型模板层(12)上的多对InGaN量子阱层和AlGaN量子势垒层；
一阶梯量子势垒(14)，其生长在所述多量子阱有源区(13)上，其中，所述阶梯量子势垒(14)为Al组分沿生长方向阶梯形减小的AlGaN层；
一P型AlGaN电子阻挡层(15)，其生长在所述阶梯量子势垒(14)上；
一P型GaN盖层(16)，其生长在所述P型AlGaN电子阻挡层(15)上；
一N电极(17)，其沉积在所述N型模板层(12)上；
一P电极(18)，其沉积在所述P型GaN盖层(16)上。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述N型模板层(12)为Si掺杂的N型GaN层，其厚度不小于2μm，掺杂浓度不小于1×1018cm-3。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述多量子阱有源区(13)中量子阱层为InGaN层，其厚度为2-5nm。
4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述多量子阱有源区(13)中量子势垒层为AlGaN层，其厚度为10-30nm。
5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述多量子阱有源区(13)的InGaN量子阱层与AlGaN量子势垒层交替生长的重复周期数不小于2。
6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述阶梯量子势垒(14)的阶梯数不小于2，每层阶梯的宽度不小于1nm，沿外延生长方向每层阶梯的Al组分依次递减不小于1％，所述阶梯量子势垒(14)的平均的Al组分与所述多量子阱有源区(13)中的AlGaN量子势垒层一致。
7.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述P型AlGaN电子阻挡层(15)为Mg掺杂的AlGaN层，其厚度为20-100nm，Al组分不小于10％。
8.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述P型GaN盖层(16)为Mg掺杂的P型GaN层，其厚度为100-500nm，掺杂浓度不小于1×1020cm-3。
9.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述N电极(17)和所述P电极(18)分别沉积在刻蚀出的所述N型模板层(12)上和所述P型GaN盖层(16)上。
10.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，包括：
取一衬底(11)，其中，所述衬底(11)的材料为蓝宝石、硅、碳化硅、氮化镓或砷化镓；
在所述衬底(11)上依次生长N型模板层(12)、多量子阱有源区(13)、阶梯量子势垒(14)、P型AlGaN电子阻挡层(15)、P型GaN盖层(16)；
通过光刻和刻蚀工艺，形成台面器件结构，并分别在所述N型模板层(12)上和所述P型GaN盖层(16)上沉积N电极(17)和P电极(18)，随后在氮气气氛下退火降温，完成生长。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210792162.8A CN115172545A (zh) | 2022-07-07 | 2022-07-07 | 一种发光二极管及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202210792162.8A CN115172545A (zh) | 2022-07-07 | 2022-07-07 | 一种发光二极管及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115172545A true CN115172545A (zh) | 2022-10-11 |
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ID=83490441
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202210792162.8A Pending CN115172545A (zh) | 2022-07-07 | 2022-07-07 | 一种发光二极管及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115172545A (zh) |
-
2022
- 2022-07-07 CN CN202210792162.8A patent/CN115172545A/zh active Pending
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