CN115663083A - 一种发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种发光二极管及其制备方法。所述发光二极管中的P型半导体层包括依次层叠设置在所述多量子阱发光层表面的第一电子阻挡层、第一空穴注入层、第二电子阻挡层和第二空穴注入层；所述第一电子阻挡层的能级低于所述第二电子阻挡层；所述第一电子阻挡层包含多个子层，其中至少一子层为P型掺杂氮化物层。本发明通过设置特定的P型半导体层结构，使第一电子阻挡层中含有P型杂质，并设置其能级低于第二电子阻挡层的能级，以便提升空穴的注入效率，从而改善LED器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管(简称LED)是一种发光器件，因具有节能、环保、尺寸小以及显色性与响应速度好等优点，被广泛应用于照明、显示器和医疗器件等领域。
现有技术中的发光二极管结构包括：衬底，以及依次设置于衬底上的N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层。其中，电子阻挡层为掺杂AlGaN层，高Al组份的掺杂导致其具有较高的能级，起到电子阻挡的作用。
但是，其位置距离多量子阱发光层较近，因此在阻挡电子的同时，也阻挡了空穴的注入，因此降低了空穴的注入效率。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种发光二极管，通过设置特定的P型半导体层结构，即采用依次层叠设置在所述多量子阱发光层表面的第一电子阻挡层、第一空穴注入层、第二电子阻挡层和第二空穴注入层，并使第一电子阻挡层的能级低于第二电子阻挡层，且第一电子阻挡层中的至少一子层为P型掺杂氮化物层，能够提升空穴的注入效率，从而改善LED器件的发光效率。
本发明的第二目的在于提供一种发光二极管的制备方法。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种发光二极管，包括衬底，在所述衬底表面依次层叠设置的缓冲层、N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层和P型接触层，在所述N型半导体层表面设置的N电极，以及在所述P型半导体层表面设置的P电极。
所述P型半导体层包括依次层叠设置在所述多量子阱发光层表面的第一电子阻挡层、第一空穴注入层、第二电子阻挡层和第二空穴注入层。
所述第一电子阻挡层的能级低于所述第二电子阻挡层；
所述第一电子阻挡层包含多个子层，其中至少一子层为P型掺杂氮化物层。
优选地，所述第一电子阻挡层包括依次层叠设置的第一子层，第二子层和第三子层。
优选地，所述第一子层包括含铝的氮化物层和/或不含铝的氮化物层。
优选地，所述第二子层包括含铝的氮化物层和/或不含铝的氮化物层。
优选地，所述第三子层包括含铝的P型氮化物层和/或不含铝的P型氮化物层。
优选地，所述含铝的氮化物层包括AlGaN层和/或AlN层。
优选地，所述不含铝的氮化物层包括GaN层。
优选地，所述含铝的P型氮化物层包括P型AlGaN层和/或P型AlN层。
优选地，所述不含铝的P型氮化物层包括P型GaN层。
优选地，所述第一子层包括超晶格结构层。
优选地，所述超晶格结构层包括呈周期性交替层叠设置的AlGaN层和GaN层。
优选地，所述第一电子阻挡层中的所述第一子层为AlGaN/GaN超晶格结构层，所述第二子层为AlN层，所述第三子层为P型AlN层。
优选地，所述AlGaN/GaN超晶格结构层的交替周期为3～5个周期。
优选地，所述第三子层中铝元素的含量不小于所述第二子层中铝元素的含量。
优选地，所述第二子层中铝元素的含量大于所述第一子层中铝元素的含量。
优选地，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度。
和/或，所述第二子层的厚度不小于所述第三子层的厚度。
和/或，所述第二子层与所述第三子层的厚度之和小于所述第一子层的厚度。
优选地，所述第一子层的厚度为8～12nm。
和/或，所述第二子层的厚度为1～2nm。
和/或，所述第三子层的厚度为1～2nm。
优选地，所述第一空穴注入层包括低温P型AlInGaN层。
和/或，所述第二空穴注入层包括高温P型GaN层。
和/或，所述第二电子阻挡层包括AlGaN层和P型AlGaN层中的一种。
优选地，所述第三子层中所掺杂的P型杂质的含量小于所述第一空穴注入层和/或所述第二空穴注入层中所掺杂的P型杂质的含量。
优选地，所述第三子层中所用的P型杂质的掺杂浓度不大于5×1019atom/cm3。
优选地，所述第一空穴注入层中所用的P型杂质的掺杂浓度大于1×1020atom/cm3。
优选地，所述第二空穴注入层中所用的P型杂质的掺杂浓度大于3×1019atom/cm3。
优选地，所述第一空穴注入层的厚度大于所述第一电子阻挡层的厚度。
和/或，所述第二电子阻挡层的厚度大于10nm；
和/或，所述第二空穴注入层的厚度大于5nm。
本发明还提供了如上所述的发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
在衬底的表面依次生长缓冲层、N型半导体层、多量子阱发光层和P型半导体层，然后在所述N型半导体层表面形成N电极，在所述P型半导体层的表面依次形成P型接触层和P电极，得到所述发光二极管。
其中，所述P型半导体层的制备方法具体包括：在所述多量子阱发光层的表面依次生长第一电子阻挡层、第一空穴注入层、第二电子阻挡层和第二空穴注入层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所提供的发光二极管，通过采用具有特定层结构的P型半导体层结构，即采用包括依次层叠设置在所述多量子阱发光层表面的第一电子阻挡层、第一空穴注入层、第二电子阻挡层和第二空穴注入层的P型半导体层，并使第一电子阻挡层的能级低于第二电子阻挡层，且第一电子阻挡层中的至少一子层为P型掺杂氮化物层，达到提升空穴注入效率，从而改善了LED器件的发光效率的作用。
(2)本发明所提供的发光二极管，通过在临近多量子阱发光层的第一电子阻挡层中掺杂P型杂质(Mg)，能够提供空穴，从而进一步提升了空穴注入效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为本发明提供的发光二极管的结构示意图；
图2为本发明提供的发光二极管的另一结构示意图；
图3为本发明提供的发光二极管的局部结构示意图。
附图标记：
10-衬底； 20-缓冲层； 30-N型半导体层；
40-多量子阱发光层； 50-第二电子阻挡层； 60-第二空穴注入层；
70-P型接触层； 80-第一电子阻挡层； 81-第一子层；
82-第二子层； 83-第三子层； 90-第一空穴注入层；
100-N电极； 200-P电极； 300-P型半导体层。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供了一种发光二极管，如图1所示，所述发光二极管包括衬底10，在所述衬底10表面依次层叠设置的缓冲层20、N型半导体层30、多量子阱发光层40、P型半导体层300和P型接触层70，在所述N型半导体层30表面设置的N电极100，以及在所述P型半导体层300表面设置的P电极200。
所述P型半导体层300包括依次层叠设置在所述多量子阱发光层40表面的第一电子阻挡层80、第一空穴注入层90、第二电子阻挡层50和第二空穴注入层60。
所述第一电子阻挡层80和所述第二电子阻挡层50中均含有铝元素，且所述第一电子阻挡层80中铝元素的含量低于所述第二电子阻挡层50中铝元素的含量。
本发明所提供的发光二极管通过采用具有特定层结构的P型半导体层300结构，即采用包括依次层叠设置在所述多量子阱发光层40表面的第一电子阻挡层80、第一空穴注入层90、第二电子阻挡层50和第二空穴注入层60的P型半导体层300，并使第一电子阻挡层80的能级低于第二电子阻挡层50，且第一电子阻挡层80中的至少一子层为P型掺杂氮化物层，能够提升空穴的注入效率，从而改善LED器件的发光效率。
优选地，所述第一电子阻挡层和所述第二电子阻挡层中均含有铝元素，且所述第一电子阻挡层中铝元素的含量低于所述第二电子阻挡层中铝元素的含量。
在本发明一些具体的实施例中，如图2所示，所述第一电子阻挡层80包括依次层叠设置在所述多量子阱发光层40表面的第一子层81，第二子层82和第三子层83。
优选地，所述第一子层81包括含铝的氮化物层和/或不含铝的氮化物层。
优选地，所述第二子层82包括含铝的氮化物层和/或不含铝的氮化物层。
优选地，所述第三子层83包括含铝的P型氮化物层和/或不含铝的P型氮化物层。
在本发明一些具体的实施例中，所述第三子层83中所用的P型杂质包括Mg。
本发明通过在第一电子阻挡层80中掺杂P型杂质(Mg)，目的是提供空穴，即进一步提升空穴注入效率，从而进一步提高器件的发光效率。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一电子阻挡层80厚度的30％以上为含Al氮化物。
在本发明一些具体的实施例中，所述第三子层83的厚度小于所述第一电子阻挡层80厚度的20％。
在本发明一些具体的实施例中，所述含铝的氮化物层包括AlGaN层和/或AlN层。
优选地，所述不含铝的氮化物层包括GaN层。
优选地，所述含铝的P型氮化物层包括P型AlGaN层和/或P型AlN层。
优选地，所述不含铝的P型氮化物层包括P型GaN层。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一子层81包括超晶格结构层。
优选地，所述超晶格结构层的交替周期为2～8个周期，还可以选择3个周期、4个周期、5个周期、6个周期或7个周期。
优选地，所述超晶格结构层包括呈周期性交替层叠设置的AlGaN层和GaN层。
在本发明一些具体的实施例中，如图3所示，所述第一子层81，所述第二子层82和所述第三子层83依次层叠设置在所述多量子阱发光层40表面，且所述第一电子阻挡层80中的所述第一子层81为AlGaN/GaN超晶格结构层，所述第二子层82为AlN层，所述第三子层83为P型AlN层。
优选地，所述AlGaN/GaN超晶格结构层的交替周期为3～5个周期。
优选地，所述第三子层83中铝元素的含量不小于所述第二子层82中铝元素的含量。
优选地，所述第二子层82中铝元素的含量大于所述第一子层81中铝元素的含量。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一子层81的厚度大于所述第二子层82的厚度。
和/或，所述第二子层82的厚度不小于所述第三子层83的厚度。
因为第三子层83为掺杂P型杂质(Mg)的P型氮化物层，该层要相对远离所述多量子阱发光层40，如果靠近所述多量子阱发光层40，则P型杂质(Mg)会以原子的形式直接扩散至所述多量子阱发光层40，导致器件晶体质量变差。
和/或，所述第二子层82与所述第三子层83的厚度之和小于所述第一子层81的厚度。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一子层81的厚度为8～12nm，包括但不限于9nm、10nm、11nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
和/或，所述第二子层82的厚度为1～2nm，包括但不限于1.2nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm、1.8nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
和/或，所述第三子层83的厚度为1～2nm，包括但不限于1.2nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm、1.8nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一空穴注入层90包括低温P型AlInGaN层。优选地，所述低温P型AlInGaN层中所用的P型杂质为Mg。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一空穴注入层90中的铝元素含量小于所述第一电子阻挡层80中的铝元素含量。
和/或，所述第二空穴注入层60包括高温P型GaN层。优选地，所述高温P型GaN层中所掺杂的P型杂质为Mg。
和/或，所述第二电子阻挡层50包括AlGaN层和P型AlGaN层中的一种。
在本发明一些具体的实施例中，所述第三子层83中所掺杂的P型杂质的含量小于所述第一空穴注入层90和/或所述第二空穴注入层60中所掺杂的P型杂质的含量。
优选地，所述第三子层83中所用的P型杂质的掺杂浓度不大于5×1019atom/cm3，包括但不限于4×1019atom/cm3、3×1019atom/cm3、2×1019atom/cm3、1×1019atom/cm3、9×1018atom/cm3、7×1018atom/cm3、5×1018atom/cm3、3×1018atom/cm3、1×1018atom/cm3、8×1017atom/cm3、5×1017atom/cm3、1×1017atom/cm3中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。采用上述浓度范围，有利于提高空穴注入效率。
更优选地，所述第三子层83中所用的P型杂质的掺杂浓度为5×1018atom/cm3～5×1019atom/cm3。采用该浓度范围，既有利于提高空穴注入效率，同时也避免了过高的Mg浓度导致产生的Mg以原子形式进入多量子阱发光层40。
优选地，所述第一空穴注入层90中所用的P型杂质的掺杂浓度大于1×1020atom/cm3，还可以选择3×1020atom/cm3、5×1020atom/cm3、8×1020atom/cm3或1×1021atom/cm3。
优选地，所述第二空穴注入层60中所用的P型杂质的掺杂浓度大于3×1019atom/cm3，还可以选择5×1019atom/cm3、8×1019atom/cm3、1×1020atom/cm3、5×1020atom/cm3或8×1021atom/cm3。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一空穴注入层90的厚度大于所述第一电子阻挡层80的厚度。
和/或，所述第二电子阻挡层50的厚度大于10nm；优选为10～100nm(还可以选择15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或95nm)。
和/或，所述第二空穴注入层60的厚度大于5nm；优选为5～100nm(还可以选择10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或95nm)。
在本发明一些具体的实施例中，所述衬底10的材料包括蓝宝石、碳化硅以及硅衬底中的至少一种。
在本发明一些具体的实施例中，所述缓冲层20包括AlN缓冲层20和/或GaN缓冲层20。
在本发明一些具体的实施例中，所述N型半导体层30包括掺杂Si的N型GaN层。
在本发明一些具体的实施例中，所述多量子阱发光层40包括层叠设置的InGaN势阱层和GaN势垒层。优选地，所述多量子阱发光层40为InGaN/GaN超晶格结构，第一电子阻挡层80设置于InGaN势阱层上，相当于多量子阱发光层40的最后一个InGaN势阱层。
在本发明一些具体的实施例中，所述P型接触层70包括P型GaN层。优选地，所述P型接触层70中所掺杂的P型杂质为Mg。更优选地，所述P型接触层70中Mg的掺杂浓度大于所述第二空穴注入层60(高温P型GaN层)中Mg的掺杂浓度，且所述P型接触层70中Mg的掺杂浓度小于所述第一空穴注入层90(低温P型AlInGaN层)中Mg的掺杂浓度。
本发明还提供了如上所述的发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
在衬底10的表面依次生长缓冲层20、N型半导体层30、多量子阱发光层40和P型半导体层300，然后在所述N型半导体层30表面形成N电极100，在所述P型半导体层300的表面依次形成P型接触层70和P电极200，得到所述发光二极管。
其中，所述P型半导体层300的制备方法具体包括：在所述多量子阱发光层40的表面依次生长第一电子阻挡层80、第一空穴注入层90、第二电子阻挡层50和第二空穴注入层60。
采用该方法制得的发光二极管的发光效率高。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一子层81的生长温度为800～900℃，生长压力为100～300torr。
优选地，所述第二子层82的生长温度为800～900℃，生长压力为100～300torr。
优选地，所述第三子层83的生长温度为800～900℃，生长压力为100～300torr。
在本发明一些具体的实施例中，所述第一空穴注入层90的生长温度为700～800℃，生长压力为100～300torr。
优选地，所述第二电子阻挡层50的生长温度为900～1000℃，生长压力为100～300torr。
优选地，所述第二空穴注入层60的生长温度为900～1000℃，生长压力为100～300torr。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (11)
1.一种发光二极管，包括衬底，在所述衬底表面依次层叠设置的缓冲层、N型半导体层、多量子阱发光层、P型半导体层和P型接触层，在所述N型半导体层表面设置的N电极，以及在所述P型半导体层表面设置的P电极，其特征在于，
所述P型半导体层包括依次层叠设置在所述多量子阱发光层表面的第一电子阻挡层、第一空穴注入层、第二电子阻挡层和第二空穴注入层；
所述第一电子阻挡层的能级低于所述第二电子阻挡层；
所述第一电子阻挡层包含多个子层，其中至少一子层为P型掺杂氮化物层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电子阻挡层包括依次层叠设置的第一子层，第二子层和第三子层；
优选地，所述第一子层包括含铝的氮化物层和/或不含铝的氮化物层；
优选地，所述第二子层包括含铝的氮化物层和/或不含铝的氮化物层；
优选地，所述第三子层包括含铝的P型氮化物层和/或不含铝的P型氮化物层。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述含铝的氮化物层包括AlGaN层和/或AlN层；
优选地，所述不含铝的氮化物层包括GaN层；
优选地，所述含铝的P型氮化物层包括P型AlGaN层和/或P型AlN层；
优选地，所述不含铝的P型氮化物层包括P型GaN层。
4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于，所述第一子层包括超晶格结构层；
优选地，所述超晶格结构层包括呈周期性交替层叠设置的AlGaN层和GaN层。
5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述第一电子阻挡层中的所述第一子层为AlGaN/GaN超晶格结构层，所述第二子层为AlN层，所述第三子层为P型AlN层；
优选地，所述AlGaN/GaN超晶格结构层的交替周期为3～5个周期；
优选地，所述第三子层中铝元素的含量不小于所述第二子层中铝元素的含量；
优选地，所述第二子层中铝元素的含量大于所述第一子层中铝元素的含量。
6.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度；
和/或，所述第二子层的厚度不小于所述第三子层的厚度；
和/或，所述第二子层与所述第三子层的厚度之和小于所述第一子层的厚度。
7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述第一子层的厚度为8～12nm；
和/或，所述第二子层的厚度为1～2nm；
和/或，所述第三子层的厚度为1～2nm。
8.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述第一空穴注入层包括低温P型AlInGaN层；
和/或，所述第二空穴注入层包括高温P型GaN层；
和/或，所述第二电子阻挡层包括AlGaN层和P型AlGaN层中的一种。
9.根据权利要求8所述的发光二极管，其特征在于，所述第三子层中所掺杂的P型杂质的含量小于所述第一空穴注入层和/或所述第二空穴注入层中所掺杂的P型杂质的含量；
优选地，所述第三子层中所用的P型杂质的掺杂浓度不大于5×1019atom/cm3；
优选地，所述第一空穴注入层中所用的P型杂质的掺杂浓度大于1×1020atom/cm3；
优选地，所述第二空穴注入层中所用的P型杂质的掺杂浓度大于3×1019atom/cm3。
10.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一空穴注入层的厚度大于所述第一电子阻挡层的厚度；
和/或，所述第二电子阻挡层的厚度大于10nm；
和/或，所述第二空穴注入层的厚度大于5nm。
11.权利要求1～10任一项所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底的表面依次生长缓冲层、N型半导体层、多量子阱发光层和P型半导体层，然后在所述N型半导体层表面形成N电极，在所述P型半导体层的表面依次形成P型接触层和P电极，得到所述发光二极管；
其中，所述P型半导体层的制备方法具体包括：在所述多量子阱发光层的表面依次生长第一电子阻挡层、第一空穴注入层、第二电子阻挡层和第二空穴注入层。
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