CN115692565A - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括自下向上的衬底、n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。本发明的技术方案使得量子阱层中的电子和空穴浓度差异明显减小，进而使得发光二极管的光电转换效率得到明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
半导体发光二极管具有波长范围可调范围广、发光效率高、节能环保、长寿命、尺寸小和可设计性强等优点，已逐渐取代白炽灯和荧光灯，成为普通家庭照明的光源，并广泛应用于新的场景，如Mini-LED、户内高分辨率显示屏、户外显示屏、手机背光、电视背光、笔记本电脑背光、家用灯具、路灯、车灯和手电筒等领域。
但是，在传统的发光二极管中，氮化物半导体层一般采用异质外延在蓝宝石衬底上生长形成，氮化物半导体层包括自下向上的n型半导体层、量子阱层和p型半导体层。其中，蓝宝石衬底与氮化物半导体层间的晶格失配和热失配大，从而产生较高的缺陷密度和极化效应，产生非辐射复合和电子波函数空间分离，降低半导体发光二极管的发光效率；并且，传统的氮化物半导体层的空穴离化效率远低于电子离化效率，导致空穴浓度低于电子浓度1～2个数量级以上，过量的电子无法参与辐射复合而从量子阱层中溢出至p型半导体层中产生非辐射复合；同时，空穴离化效率低会导致p型半导体层的空穴浓度低且难以有效注入量子阱层中，导致空穴注入量子阱层的效率低。因此，量子阱层中的电子和空穴浓度差异大，电子和空穴波函数交叠几率较低，电子和空穴在量子阱层中的复合效率低，导致量子阱层的发光效率低，进而导致发光二极管的光电转换效率低。
因此，提供一种发光二极管及其制造方法，以提高发光二极管的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发光二极管及其制造方法，使得量子阱层中的电子和空穴浓度差异明显减小，进而使得发光二极管的光电转换效率得到明显提高。
为实现上述目的，本发明提供了一种发光二极管，包括自下向上的衬底、n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。
可选地，所述p型掺杂元素为镁，所述n型非故意掺杂元素为硅。
可选地，所述空穴注入层中还包含碳元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800。
可选地，所述空穴注入层中还包含氧元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800。
可选地，所述空穴注入层中还包含氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
可选地，所述空穴注入层中还包含碳元素和氧元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800。
可选地，所述空穴注入层中还包含碳元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
可选地，所述空穴注入层中还包含氧元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
可选地，所述空穴注入层中还包含碳元素、氧元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
可选地，所述空穴注入层的厚度为10nm～50nm。
可选地，所述空穴注入层的材质为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1。
可选地，0＜x＜1且0＜y＜1时，二次离子质谱仪测得的所述空穴注入层中的Al和In的信号强度之比为300～1E5。
可选地，所述空穴注入层中的空穴浓度大于或等于5E17cm-3。
本发明还提供一种发光二极管的制造方法，包括：
提供一衬底；
依次形成n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层于所述衬底上，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。
可选地，所述p型掺杂元素为镁，所述n型非故意掺杂元素为硅。
可选地，所述空穴注入层中还包含碳元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800。
可选地，所述空穴注入层中还包含氧元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800。
可选地，所述空穴注入层中还包含氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
可选地，所述空穴注入层中还包含碳元素和氧元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800。
可选地，所述空穴注入层中还包含碳元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
可选地，所述空穴注入层中还包含氧元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
可选地，所述空穴注入层中还包含碳元素、氧元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
可选地，所述空穴注入层的厚度为10nm～50nm。
可选地，所述空穴注入层的材质为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1。
可选地，0＜x＜1且0＜y＜1时，二次离子质谱仪测得的所述空穴注入层中的Al和In的信号强度之比为300～1E5。
可选地，所述空穴注入层中的空穴浓度大于或等于5E17cm-3。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明的发光二极管及其制造方法，由于在量子阱层和p型半导体层之间插入空穴注入层，且所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度大于所述n型非故意掺杂元素的浓度，p型掺杂元素镁的浓度与n型非故意掺杂元素硅的浓度之比a≥80，p型掺杂元素镁的浓度与碳元素的浓度之比为10≤b≤800，p型掺杂元素镁的浓度与氧元素的浓度之比为15≤c≤800，p型掺杂元素镁的浓度与氢元素的浓度之比为1≤d≤50，使得镁的溶解度和离化率得到提升，进而使得所述空穴注入层中的空穴浓度得到提高(空穴浓度提升至5E17cm-3以上)，进而使得所述量子阱层中的电子和空穴浓度差异明显减小，从而使得发光二极管的光电转换效率得到明显提高(光电转换效率WPE提升至大于70％)。
附图说明
图1是本发明一实施例的发光二极管的结构示意图；
图2是本发明一实施例的发光二极管的二次离子质谱图；
图3是本发明一实施例的发光二极管的制造方法的流程图。
其中，附图1～图3的附图标记说明如下：
11-衬底；12-n型半导体层；13-量子阱层；14-空穴注入层；15-p型半导体层。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下对本发明提出的发光二极管及其制造方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明一实施例提供一种发光二极管，包括自下向上的衬底、n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。
下面参阅图1和图2更为详细的介绍本实施例提供的发光二极管，图1也是发光二极管的纵向剖面图。
所述发光二极管包括自下向上的衬底11、n型半导体层12、量子阱层13、空穴注入层14和p型半导体层15，所述空穴注入层14包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度大于所述n型非故意掺杂元素的浓度，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。
由于在所述量子阱层13与所述p型半导体层15之间插入所述空穴注入层14，且所述空穴注入层14包含p型掺杂元素，使得所述空穴注入层14能够向所述量子阱层13提供空穴，进而使得所述量子阱层13中的电子和空穴浓度差异减小，电子和空穴波函数交叠几率提高，电子和空穴在所述量子阱层13中的复合效率提高，使得所述量子阱层13的发光效率提高，从而使得发光二极管的光电转换效率得到提高；并且，由于所述量子阱层13中大量的电子能够与所述空穴注入层14提供的空穴进行辐射复合，使得降低了所述量子阱层13中的电子溢出至所述p型半导体层15中产生非辐射复合的概率，相当于所述空穴注入层14起到电子阻挡的作用，从而无需在所述量子阱层13与所述p型半导体层15之间插入电子阻挡层。
其中，由于在形成所述n型半导体层12和所述量子阱层13时采用n型掺杂剂，使得所述n型半导体层12和所述量子阱层13包含n型掺杂元素；在形成所述空穴注入层14和所述p型半导体层15时采用p型掺杂剂，使得所述空穴注入层14和所述p型半导体层15包含p型掺杂元素。并且，需要说明的是，在形成所述空穴注入层14的过程中，并未采用n型掺杂剂对所述空穴注入层14进行n型掺杂，所述空穴注入层14本身包含背景n型非故意掺杂元素，或者所述量子阱层13中的n型掺杂元素扩散进入所述空穴注入层14中，使得所述空穴注入层14包含n型非故意掺杂元素。
由于所述空穴注入层14包含p型掺杂元素，且未包含n型掺杂元素而是包含n型非故意掺杂元素，使得所述空穴注入层14中的所述p型掺杂元素的浓度大于所述n型非故意掺杂元素的浓度，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80，进而使得能够提高p型掺杂元素的溶解度和离化率，从而提高所述空穴注入层14中的空穴浓度，使得发光二极管的光电转换效率进一步得到提高。
优选的，所述p型掺杂元素为镁，所述n型非故意掺杂元素为硅，所述空穴注入层14中的p型掺杂元素镁的浓度大于n型非故意掺杂元素硅的浓度，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述n型非故意掺杂元素硅的浓度之比大于或等于80，使得能够提高p型掺杂元素镁的溶解度和离化效率，从而提高了所述空穴注入层14中的空穴浓度。
需要说明的是，在其他实施例中，所述p型掺杂元素还可以为锌、钙、铍、锰等，所述n型非故意掺杂元素还可以为锗、锡、钛、锆等。
所述空穴注入层14的材质为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1，其中，所述空穴注入层14的材质可以为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN和AlInN中的至少一种。
所述n型半导体层12、所述量子阱层13和所述p型半导体层15的材质可以为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN和AlInN中的至少一种。
其中，由于形成所述空穴注入层14时采用的MO源可以包含三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)和三乙基镓(TEGa)等中的至少一种，且MO源中还可含有氧元素，那么，在形成的所述空穴注入层14中会残留有碳元素、氢元素和氧元素中的至少一种杂质。
当所述空穴注入层14中包含有碳元素时，由于当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比b小于10时，浓度太高的所述碳元素作为缺陷杂质会降低所述p型掺杂元素镁的溶解度，进而降低所述p型掺杂元素镁的离化效率，从而导致所述空穴注入层14中的空穴浓度降低至小于1E17cm-3；当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比b大于800时，所述p型掺杂元素镁的浓度太高会导致形成镁相关的杂质的光吸收，从而导致光电转换效率(Wall-Plug-Efficiency,WPE)下降。
当所述空穴注入层14中包含有氧元素时，由于当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比c小于15时，浓度太高的所述氧元素与所述p型掺杂元素镁反应生成较多的络合物，导致降低所述p型掺杂元素镁的溶解度，进而降低所述p型掺杂元素镁的离化效率，从而导致所述空穴注入层14中的空穴浓度降低至小于1E17cm-3；当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比c大于800时，所述p型掺杂元素镁的浓度太高会导致形成镁相关的杂质的光吸收，从而导致光电转换效率下降。
当所述空穴注入层14中包含有氢元素时，由于当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比d小于1时，浓度太高的所述氢元素与所述p型掺杂元素镁反应生成较多的络合物，导致降低所述p型掺杂元素镁的离化效率，从而导致所述空穴注入层14中的空穴浓度降低至小于1E17cm-3；当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比d大于50时，所述p型掺杂元素镁的浓度太高会导致形成镁相关的杂质的光吸收，从而导致光电转换效率下降。
因此，优选的，当所述空穴注入层14中包含有碳元素时，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为10≤b≤800；当所述空穴注入层14中包含有氧元素时，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为15≤c≤800；当所述空穴注入层14中包含有氢元素时，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为1≤d≤50，以使得所述空穴注入层14中的p型掺杂元素镁的溶解度和离化率提高，进而使空穴浓度得到提高，提升至5E17cm-3以上，从而使得光电转换效率得到提高。
并且，由于当所述空穴注入层14的厚度小于10nm时，所述空穴注入层14中的空穴总量不足，导致从所述空穴注入层14注入至所述量子阱层13中的空穴不足，进而导致光电转换效率下降到50％以下；当所述空穴注入层14的厚度大于50nm时，所述空穴注入层14中的所述p型掺杂元素镁相关的杂质会产生光吸收的非辐射复合，从而导致光电转换效率下降到60％以下。因此，优选的，所述空穴注入层14的厚度为10nm～50nm，以提高光电转换效率。
并且，可以采用二次离子质谱仪(Secondary Ion Mass Spectrometry,SIMS)测试所述发光二极管中各半导体层的各个元素的浓度或信号强度。如图2所示，横坐标为深度(Depth)，左侧纵坐标为浓度(Concentration)，右侧纵坐标为信号强度(Intensity)，图2中示出了所述p型半导体层15、所述空穴注入层14和所述量子阱层13中的铝元素、镓元素和铟元素的信号强度的变化趋势，且示出了所述p型半导体层15、所述空穴注入层14和所述量子阱层13中的氢元素、碳元素、氧元素、镁元素、硅元素和氮元素的浓度的变化趋势，从图2中可看出，在所述空穴注入层14中，所述p型掺杂元素镁的浓度大于所述n型非故意掺杂元素硅的浓度，所述p型掺杂元素镁的浓度大于所述碳元素的浓度，所述p型掺杂元素镁的浓度大于所述氧元素的浓度，所述p型掺杂元素镁的浓度大于或等于所述氢元素的浓度，Al的信号强度大于In的信号强度。
当0＜x＜1且0＜y＜1时，所述空穴注入层14的材质中包含Al和In，优选的，二次离子质谱仪测得的所述空穴注入层14中的Al和In的信号强度之比为300～1E5，以避免所述空穴注入层14中的Al和In的信号强度之比小于300时，In的比例太高而导致光吸收，进而导致光电转换效率下降，且能避免所述空穴注入层14中的Al和In的信号强度之比大于1E5时，Al的比例太高而导致镁的离化效率太低，进而导致所述空穴注入层14中的空穴浓度小于1E17cm-3。
从上述内容可知，本发明的所述发光二极管，包括自下向上的衬底、n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80，使得所述空穴注入层中的空穴浓度得到提高(例如空穴浓度能够提高至5E17cm-3以上)，进而使得所述量子阱层中的电子和空穴浓度差异明显减小，从而使得发光二极管的光电转换效率得到明显提高(例如光电转换效率能够提高至大于70％)。
本发明一实施例提供一种发光二极管的制造方法，参阅图3，图3是本发明一实施例的发光二极管的制造方法的流程图，所述发光二极管的制造方法包括：
步骤S1，提供一衬底；
步骤S2，依次形成n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层于所述衬底上，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。
下面参阅图1和图2更为详细的介绍本实施例提供的发光二极管的制造方法。
按照步骤S1，提供一衬底11。
按照步骤S2，依次形成n型半导体层12、量子阱层13、空穴注入层14和p型半导体层15于所述衬底11上，所述空穴注入层14包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度大于所述n型非故意掺杂元素的浓度，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。
由于在所述量子阱层13与所述p型半导体层15之间插入所述空穴注入层14，且所述空穴注入层14包含p型掺杂元素，使得所述空穴注入层14能够向所述量子阱层13提供空穴，进而使得所述量子阱层13中的电子和空穴浓度差异减小，电子和空穴波函数交叠几率提高，电子和空穴在所述量子阱层13中的复合效率提高，使得所述量子阱层13的发光效率提高，从而使得发光二极管的光电转换效率得到提高；并且，由于所述量子阱层13中大量的电子能够与所述空穴注入层14提供的空穴进行辐射复合，使得降低了所述量子阱层13中的电子溢出至所述p型半导体层15中产生非辐射复合的概率，相当于所述空穴注入层14起到电子阻挡的作用，从而无需在所述量子阱层13与所述p型半导体层15之间插入电子阻挡层。
其中，可以采用MO源和掺杂剂通过外延生长的方式依次形成所述n型半导体层12、所述量子阱层13、所述空穴注入层14和所述p型半导体层15于所述衬底11上；其中，形成所述n型半导体层12和所述量子阱层13时采用n型掺杂剂，使得所述n型半导体层12和所述量子阱层13包含n型掺杂元素；形成所述空穴注入层14和所述p型半导体层15时采用p型掺杂剂，使得所述空穴注入层14和所述p型半导体层15包含p型掺杂元素。并且，需要说明的是，在生长所述空穴注入层14的过程中，并未采用n型掺杂剂对所述空穴注入层14进行n型掺杂，所述空穴注入层14本身包含背景n型非故意掺杂元素，或者所述量子阱层13中的n型掺杂元素扩散进入所述空穴注入层14中，使得所述空穴注入层14包含n型非故意掺杂元素。
由于所述空穴注入层14包含p型掺杂元素，且未包含n型掺杂元素而是包含n型非故意掺杂元素，使得所述空穴注入层14中的所述p型掺杂元素的浓度大于所述n型非故意掺杂元素的浓度，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80，进而使得能够提高p型掺杂元素的溶解度和离化率，从而提高所述空穴注入层14中的空穴浓度，使得发光二极管的光电转换效率进一步得到提高。
优选的，所述p型掺杂元素为镁，所述n型非故意掺杂元素为硅。那么，在生长所述空穴注入层14的过程中，未采用镁-硅共掺杂的方式，而是仅对所述空穴注入层14进行镁掺杂，所述空穴注入层14中的硅元素为非故意掺杂，使得所述空穴注入层14中的p型掺杂元素镁的浓度大于n型非故意掺杂元素硅的浓度，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述n型非故意掺杂元素硅的浓度之比大于或等于80，进而使得能够提高p型掺杂元素镁的溶解度和离化效率，从而提高了所述空穴注入层14中的空穴浓度。
需要说明的是，在其他实施例中，所述p型掺杂元素还可以为锌、钙、铍、锰等，所述n型非故意掺杂元素还可以为锗、锡、钛、锆等。
所述空穴注入层14的材质为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1，其中，所述空穴注入层14的材质可以为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN和AlInN中的至少一种。
所述n型半导体层12、所述量子阱层13和所述p型半导体层15的材质可以为GaN、AlGaN、InGaN、AlInGaN、AlN、InN和AlInN中的至少一种。
其中，生长所述空穴注入层14采用的MO源可以包含三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)和三乙基镓(TEGa)等中的至少一种，且MO源中还可含有氧元素，那么，在形成的所述空穴注入层14中会残留有碳元素、氢元素和氧元素中的至少一种杂质。
当所述空穴注入层14中包含有碳元素时，由于当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比b小于10时，浓度太高的所述碳元素作为缺陷杂质会降低所述p型掺杂元素镁的溶解度，进而降低所述p型掺杂元素镁的离化效率，从而导致所述空穴注入层14中的空穴浓度降低至小于1E17cm-3；当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比b大于800时，所述p型掺杂元素镁的浓度太高会导致形成镁相关的杂质的光吸收，从而导致光电转换效率(Wall-Plug-Efficiency,WPE)下降。
当所述空穴注入层14中包含有氧元素时，由于当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比c小于15时，浓度太高的所述氧元素与所述p型掺杂元素镁反应生成较多的络合物，导致降低所述p型掺杂元素镁的溶解度，进而降低所述p型掺杂元素镁的离化效率，从而导致所述空穴注入层14中的空穴浓度降低至小于1E17cm-3；当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比c大于800时，所述p型掺杂元素镁的浓度太高会导致形成镁相关的杂质的光吸收，从而导致光电转换效率下降。
当所述空穴注入层14中包含有氢元素时，由于当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比d小于1时，浓度太高的所述氢元素与所述p型掺杂元素镁反应生成较多的络合物，导致降低所述p型掺杂元素镁的离化效率，从而导致所述空穴注入层14中的空穴浓度降低至小于1E17cm-3；当所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比d大于50时，所述p型掺杂元素镁的浓度太高会导致形成镁相关的杂质的光吸收，从而导致光电转换效率下降。
因此，优选的，当所述空穴注入层14中包含有碳元素时，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为10≤b≤800；当所述空穴注入层14中包含有氧元素时，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为15≤c≤800；当所述空穴注入层14中包含有氢元素时，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为1≤d≤50，以使得所述空穴注入层14中的p型掺杂元素镁的溶解度和离化率提高，进而使空穴浓度得到提高，提升至5E17cm-3以上，从而使得光电转换效率得到提高。
并且，由于当所述空穴注入层14的厚度小于10nm时，所述空穴注入层14中的空穴总量不足，导致从所述空穴注入层14注入至所述量子阱层13中的空穴不足，进而导致光电转换效率下降到50％以下；当所述空穴注入层14的厚度大于50nm时，所述空穴注入层14中的所述p型掺杂元素镁相关的杂质会产生光吸收的非辐射复合，从而导致光电转换效率下降到60％以下。因此，优选的，所述空穴注入层14的厚度为10nm～50nm。，以提高光电转换效率。
并且，可以采用二次离子质谱仪(Secondary Ion Mass Spectrometry,SIMS)测试所述发光二极管中各半导体层的各个元素的浓度或信号强度。如图2所示，横坐标为深度(Depth)，左侧纵坐标为浓度(Concentration)，右侧纵坐标为信号强度(Intensity)，图2中示出了所述p型半导体层15、所述空穴注入层14和所述量子阱层13中的铝元素、镓元素和铟元素的信号强度的变化趋势，且示出了所述p型半导体层15、所述空穴注入层14和所述量子阱层13中的氢元素、碳元素、氧元素、镁元素、硅元素和氮元素的浓度的变化趋势，从图2中可看出，在所述空穴注入层14中，所述p型掺杂元素镁的浓度大于所述n型非故意掺杂元素硅的浓度，所述p型掺杂元素镁的浓度大于所述碳元素的浓度，所述p型掺杂元素镁的浓度大于所述氧元素的浓度，所述p型掺杂元素镁的浓度大于或等于所述氢元素的浓度，Al的信号强度大于In的信号强度。
当0＜x＜1且0＜y＜1时，所述空穴注入层14的材质中包含Al和In，优选的，二次离子质谱仪测得的所述空穴注入层14中的Al和In的信号强度之比为300～1E5，以避免所述空穴注入层14中的Al和In的信号强度之比小于300时，In的比例太高而导致光吸收，进而导致光电转换效率下降，且能避免所述空穴注入层14中的Al和In的信号强度之比大于1E5时，Al的比例太高而导致镁的离化效率太低，进而导致所述空穴注入层14中的空穴浓度小于1E17cm-3。
从上述内容可知，本发明的所述发光二极管的制造方法，包括提供一衬底；依次形成n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层于所述衬底上，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80，使得所述空穴注入层中的空穴浓度得到提高(例如空穴浓度能够提高至5E17cm-3以上)，进而使得所述量子阱层中的电子和空穴浓度差异明显减小，从而使得发光二极管的光电转换效率得到明显提高(例如光电转换效率能够提高至大于70％)。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (26)
1.一种发光二极管，其特征在于，包括自下向上的衬底、n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。
2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述p型掺杂元素为镁，所述n型非故意掺杂元素为硅。
3.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中还包含碳元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800。
4.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中还包含氧元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800。
5.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中还包含氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
6.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中还包含碳元素和氧元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800。
7.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中还包含碳元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
8.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中还包含氧元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
9.如权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中还包含碳元素、氧元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
10.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层的厚度为10nm～50nm。
11.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层的材质为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1。
12.如权利要求11所述的发光二极管，其特征在于，0＜x＜1且0＜y＜1时，二次离子质谱仪测得的所述空穴注入层中的Al和In的信号强度之比为300～1E5。
13.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中的空穴浓度大于或等于5E17cm-3。
14.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括：
提供一衬底；
依次形成n型半导体层、量子阱层、空穴注入层和p型半导体层于所述衬底上，所述空穴注入层包含p型掺杂元素和n型非故意掺杂元素，所述p型掺杂元素的浓度与所述n型非故意掺杂元素的浓度之比a≥80。
15.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述p型掺杂元素为镁，所述n型非故意掺杂元素为硅。
16.如权利要求15所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层中还包含碳元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800。
17.如权利要求15所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层中还包含氧元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800。
18.如权利要求15所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层中还包含氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
19.如权利要求15所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层中还包含碳元素和氧元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800。
20.如权利要求15所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层中还包含碳元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
21.如权利要求15所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层中还包含氧元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
22.如权利要求15所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层中还包含碳元素、氧元素和氢元素，所述p型掺杂元素镁的浓度与所述碳元素的浓度之比为b，10≤b≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氧元素的浓度之比为c，15≤c≤800；所述p型掺杂元素镁的浓度与所述氢元素的浓度之比为d，1≤d≤50。
23.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层的厚度为10nm～50nm。
24.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层的材质为AlxInyGa1-x-yN，0≤x≤1，0≤y≤1。
25.如权利要求24所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，0＜x＜1且0＜y＜1时，二次离子质谱仪测得的所述空穴注入层中的Al和In的信号强度之比为300～1E5。
26.如权利要求14所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述空穴注入层中的空穴浓度大于或等于5E17cm-3。
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|---|---|---|---|---|
| CN116230825A (zh) * | 2023-05-08 | 2023-06-06 | 江西兆驰半导体有限公司 | 一种氢杂质调控空穴注入层的led外延片及其制备方法 |
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2022
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