CN117855353A - 改善光效的发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种改善可靠性的发光二极管及其制备方法，属于光电子制造技术领域。该发光二极管包括依次层叠的n型层、多量子阱层和p型层，n型层包括层叠的第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层；第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层和第四AlGaN层的Al组分含量逐渐降低，第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层的n型掺杂浓度逐渐降低。本公开实施例能改善制作p型接触层时容易出现晶格缺陷的问题，提升发光二极管的制备质量。
Description
技术领域
本公开涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种改善光效的发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)作为光电子产业中极具影响力的新产品，具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点，广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。
发光二极管通常包括依次层叠的蓝宝石衬底、n型层、多量子阱层和p型层。对于紫外发光二极管，n型层通常为n型AlGaN层。
由于蓝宝石衬底和AlGaN之间的晶格失配和热失配较大，使得AlGaN材料层在外延生长过程中容易出现位错缺陷；并且，Al原子与Ga原子相比，Ga原子的表面迁移率相对较快，不容易发生寄生反应，而Al原子的表面迁移率较低，就会很容易发生寄生反应，因此Al原子寄生的位置就会形成一个成核点。这样生长得到的AlGaN材料层容易产生较多的成核点。每个成核点进一步形成岛屿并相互合并，导致AlGaN材料层形成大量的缺陷。这些缺陷的存在会影响后续生长的多量子阱层的晶体质量，降低发光二极管的发光效果。
发明内容
本公开实施例提供了一种改善可靠性的发光二极管及其制备方法，能改善制作p型接触层时容易出现晶格缺陷的问题，提升发光二极管的制备质量。所述技术方案如下：
一方面，本公开实施例提供了一种发光二极管，所述发光二极管包括依次层叠的n型层、多量子阱层和p型层，所述n型层包括层叠的第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层；所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层和所述第四AlGaN层的Al组分含量逐层降低，所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层、所述第四AlGaN层和所述AlN层的n型掺杂浓度逐渐降低。
可选地，所述第一AlGaN层未掺杂Si，在所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层、所述第四AlGaN层和所述AlN层中，相邻的两个膜层的Si掺杂浓度为差值小于或等于8.9×1020cm-3；所述第二AlGaN层的Si掺杂浓度为5×1019cm-3至9×1020cm-3。
可选地，在所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层和所述第四AlGaN层中，相邻的两个膜层的Al组分含量的差值小于或者等于0.5；所述第一AlGaN层为AlaGa1-aN层，其中，0.6＜a＜1；所述第四AlGaN层为AldGa1-dN层，其中，0≤d。
可选地，所述第一AlGaN层具有在所述发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在所述发光二极管的生长方向上，所述第一AlGaN层的多个子层的Al组分含量递减；所述第二AlGaN层具有在所述发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在所述发光二极管的生长方向上，所述第二AlGaN层的多个子层的Al组分含量递减；所述第三AlGaN层具有在所述发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在所述发光二极管的生长方向上，所述第三AlGaN层的多个子层的Al组分含量递减；所述第四AlGaN层具有在所述发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在所述发光二极管的生长方向上，所述第四AlGaN层的多个子层的Al组分含量递减。
可选地，所述n型层还包括SiN层，所述SiN层夹在所述第二AlGaN层和所述第三AlGaN层之间。
可选地，所述第一AlGaN层的厚度为50nm至200nm，所述第二AlGaN层的厚度为1μm至3μm，所述SiN层的厚度为1nm至50nm，所述第三AlGaN层的厚度为200nm至1000nm，所述第四AlGaN层的厚度为1nm至10nm，所述AlN层的厚度为1nm至50nm。
另一方面，本公开实施例还提供了一种发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：提供一衬底；在所述衬底上形成n型层，所述n型层包括层叠的第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层；所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层和所述第四AlGaN层的Al组分含量逐渐降低，所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层、所述第四AlGaN层和所述AlN层的n型掺杂浓度逐渐降低；在所述n型层上形成多量子阱层；在所述多量子阱层上形成p型层。
可选地，生长所述第一AlGaN层时不掺杂Si，生长所述第二AlGaN层时，控制所述第二AlGaN层的Si掺杂浓度为5×1019cm-3至9×1020cm-3；控制所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层、所述第四AlGaN层和所述AlN层中，相邻的两个膜层的Si掺杂浓度为差值小于或等于8.9×1020cm-3。
可选地，在所述衬底上形成n型层包括：控制生长压力为100mbar至400mbar，生长温度为1300℃至1400℃，控制生长气氛为纯氢气，生长所述第一AlGaN层；控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1300℃至1350℃，控制生长气氛为纯氢气，生长所述第二AlGaN层；控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1200℃至1300℃，控制生长气氛为纯氢气，生长所述第三AlGaN层；控制生长压力为100mbar至400mbar，生长温度为1150℃至1250℃，控制生长气氛为氮气和氢气的混合气体，生长所述第四AlGaN层；控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1200℃至1300℃，控制生长气氛为纯氢气，生长所述AlN层。
可选地，在所述衬底上形成n型层还包括：在生长所述第三AlGaN层之前，控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1270℃至1370℃，控制生长气氛为氮气和氢气的混合气体，在所述第二AlGaN层上生长SiN层。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
本公开实施例提供的发光二极管中的n型层包括层叠的第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层。由于膜层势垒高度是由材料的禁带宽度决定的，且禁带宽度越大，膜层的势垒高度越大。而GaN层的禁带宽度为3.4eV，AlGaN的禁带宽度是6.2eV，即AlGaN的势垒高度要大于GaN层的势垒高度，因而可知Al组分含量会影响AlGaN的禁带宽度，且Al组分含量越高，AlGaN的禁带宽度越大，AlGaN的势垒高度也就越大。因此，本公开实施例通过限定第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层和第四AlGaN层的Al组分含量逐层降低，这样就使得n型层的各AlGaN层的势垒高度沿着发光二极管的生长逐渐降低，使得从n型层注入电流不仅是垂直方向还是横向，都能够在较短行程内让扩展开来，从而让电流在n型层上均匀扩展，有效降低了发光二极管的正向工作电压。
并且在n型层中远离多量子阱层的子层为AlGaN层，且Al组分含量越低，子层的电阻越小，这样低阻的AlGaN层能起到“蓄水池”的作用，以将电子存储与n型层内。且n型层中靠近多量子阱层的子层为AlN层，在n型层的各子层中Al组分含量最大，因此AlN层的电阻最高，高阻的AlN层能起到“拦水坝”作用，与AlGaN层配合存储电子，并避免电子迅速进入到多量子阱层内。这样即使是在大电流注入条件下，都能使电子在多量子阱层内更好的均匀分布，提高发光二极管的发光效率。
同时，n型层中各子层在发光二极管的生长方向上的Al组分含量逐渐降低，这样能减少Al原子的寄生反应，提高Al原子的在外延膜层的迁移率能力，减少Al原子在AlN层或AlGaN层在外延生长过程中，因寄生反应而形成不同的成核点，降低成核点进一步形成岛屿并相互合并，有效地降低材料产生大量的缺陷，位错和缺陷密度，进一步提高发光二极管的生长晶体质量，提升发光二极管的量子效率。
并且，第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层的n型掺杂浓度逐渐降低。由于自由电子的质量轻，迁移速率又快，而空穴质量较电子要重，迁移率差，所以在多量子阱层的发光区域，电子很容易发生溢流。
首先利用n型层沿生长方向n型掺杂浓度逐渐降低，使电子能均匀扩散并能较好的注入到量子阱中，使电子和空穴能有效的发生辐射复合，提高发光效率。其次调制Al组分的目的，一方面通过调制Al组分增加势垒高度来降低电子的迁移速率，更有效的阻止电子发生溢流，使更多的电子在发光区与空穴发生复合，AlGaN层起滞缓电子流速的作用。另一方通过调制Al组分来生长第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层，主要是降低Al原子的寄生反应，降低因Al寄生反应形成的成核点，从而降低材料生长的缺陷密度，提到外延层生长的晶体质量。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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。
图1是本公开实施例提供的一种发光二极管的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种发光二极管的制备方法的流程图。
图中各标记说明如下：
10、衬底；
20、n型层；21、第一AlGaN层；22、第二AlGaN层；23、SiN层；24、第三AlGaN层；25、第四AlGaN层；26、AlN层；
30、多量子阱层；
40、p型层；
51、n电极；52、p电极；
60、透明导电层。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
相关技术中。紫外发光二极管通常包括依次层叠的蓝宝石衬底、n型层、多量子阱层和p型层。其中，n型层通常为n型AlGaN层。
相关技术中，发光二极管至少存在以下技术问题：
第一，紫外发光二极管制备生产过程中，衬底主要使用蓝宝石衬底，由于蓝宝石衬底与AlGaN之间的晶格失配与热失配较大，使AlGaN材料在外延生长过程中容易产生大量的位错。
第二，又因Al原子与Ga原子相比，Al原子表面迁移率能力低，使AlGaN薄膜在外延生长过程中产生不同的成核点，每个成核点进一步形成岛屿并相互合并，导致材料产生大量的缺陷，并且缺陷向上延伸到多量子阱层成为非辐射复合中心，降低量子阱的发光效率，同时缺陷也会形成漏电通径，导致材料抗静电能力、抗老化能力下降。
第三，如果生长的AlGaN层较厚时，衬底对厚膜AlGaN层的张应力会导致AlGaN层破裂而产生大量裂纹缺陷。
第四：又因AlGaN层随着Al组分的增加，AlGaN材料的电阻增加，直接导致材料的正向电压升高。
以上因素直接导致生长的发光二极管的晶体质量差，缺陷密度高，抗静电能力差，而做出的发光二极管就会整体良率差，发光效率低，抗老化能力和可靠性也较差。
为此，本公开实施例提供了一种发光二极管。图1是本公开实施例提供的一种发光二极管的结构示意图。如图1所示，该发光二极管包括依次层叠的n型层20、多量子阱层30和p型层40，n型层20包括层叠的第一AlGaN层21、第二AlGaN层22、第三AlGaN层24、第四AlGaN层25和AlN层26。
其中，第一AlGaN层21、第二AlGaN层22、第三AlGaN层24和第四AlGaN层25的Al组分含量逐渐降低，第二AlGaN层22、第三AlGaN层24、第四AlGaN层25和AlN层26的n型掺杂浓度逐渐降低。
示例性地，n型掺杂是指在膜层中掺入Ⅴ族元素，掺入Ⅴ族元素能提供额外电子，从而膜层中的电子浓度。
作为示例，本公开实施例中，n型掺杂是指在膜层中掺入Si。即第二AlGaN层22、第三AlGaN层24、第四AlGaN层25和AlN层26的Si掺杂浓度逐渐降低。
作为示例，本公开实施例中，n型掺杂是指在膜层中掺入P。即第二AlGaN层22、第三AlGaN层24、第四AlGaN层25和AlN层26的P掺杂浓度逐渐降低。
本公开实施例提供的发光二极管中的n型层20包括层叠的第一AlGaN层21、第二AlGaN层22、第三AlGaN层24、第四AlGaN层25和AlN层26。由于膜层势垒高度是由材料的禁带宽度决定的，且禁带宽度越大，膜层的势垒高度越大。而GaN层的禁带宽度为3.4eV，AlGaN的禁带宽度是6.2eV，即AlGaN的势垒高度要大于GaN层的势垒高度，因而可知Al组分含量会影响AlGaN的禁带宽度，且Al组分含量越高，AlGaN的禁带宽度越大，AlGaN的势垒高度也就越大。因此，本公开实施例通过限定第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层和第四AlGaN层的Al组分含量逐层降低，这样就使得n型层的各AlGaN层的势垒高度沿着发光二极管的生长逐渐降低，使得从n型层注入电流不仅是垂直方向还是横向，都能够在较短行程内让扩展开来，从而让电流在n型层上均匀扩展，有效降低了发光二极管的正向工作电压。
并且在n型层20中远离多量子阱层30的子层为AlGaN层，且Al组分含量越低，子层的电阻越小，这样低阻的AlGaN层能起到“蓄水池”的作用，以将电子存储与n型层20内。且n型层20中靠近多量子阱层30的子层为AlN层，在n型层的各子层中Al组分含量最大，因此AlN层的电阻最高，高阻的AlN层能起到“拦水坝”作用，与AlGaN层配合存储电子，并避免电子迅速进入到多量子阱层30内。这样即使是在大电流注入条件下，都能使电子在多量子阱层30内更好的均匀分布，提高发光二极管的发光效率。
同时，n型层20中各子层在发光二极管的生长方向上的Al组分含量逐渐降低，这样能减少Al原子的寄生反应，提高Al原子的在外延膜层的迁移率能力，减少Al原子在AlN层或AlGaN层在外延生长过程中，因寄生反应而形成不同的成核点，降低成核点进一步形成岛屿并相互合并，有效地降低材料产生大量的缺陷，位错和缺陷密度，进一步提高发光二极管的生长晶体质量，提升发光二极管的量子效率。
并且，第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层的n型掺杂浓度逐渐降低。由于自由电子的质量轻，迁移速率又快，而空穴质量较电子要重，迁移率差，所以在多量子阱层的发光区域，电子很容易发生溢流。首先利用n型层沿生长方向n型掺杂浓度逐渐降低，使电子能均匀扩散并能较好的注入到量子阱中，使电子和空穴能有效的发生辐射复合，提高发光效率。其次调制Al组分的目的，一方面通过调制Al组分增加势垒高度来降低电子的迁移速率，更有效的阻止电子发生溢流，使更多的电子在发光区与空穴发生复合，AlGaN层起滞缓电子流速的作用。另一方通过调制Al组分来生长第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层，主要是降低Al原子的寄生反应，降低因Al寄生反应形成的成核点，从而降低材料生长的缺陷密度，提到外延层生长的晶体质量。
可选地，第一AlGaN层21未掺杂Si。第二AlGaN层22、第三AlGaN层24、第四AlGaN层25和AlN层26均掺杂Si，且在第二AlGaN层22、第三AlGaN层24、第四AlGaN层25和AlN层26中，相邻的两个膜层的Si掺杂浓度为差值小于或等于8.9×1020cm-3。
通过将相邻的两个膜层的Si掺杂浓度的差值限定在上述范围内，能避免相邻的两个子层的Si掺杂浓度降低过多，而起不到让电流在n型层20内均匀扩展的效果。
示例性地，第二AlGaN层22的Si掺杂浓度为5×1019cm-3至9×1020cm-3。
作为示例，本公开实施例中，第二AlGaN层22的Si掺杂浓度为5×1020cm-3。
示例性地，第三AlGaN层24的Si掺杂浓度为1×1019cm-3至9×1019cm-3。
作为示例，本公开实施例中，第三AlGaN层24的Si掺杂浓度为5×1019cm-3。
示例性地，第四AlGaN层25的Si掺杂浓度为1×1018cm-3至9×1018cm-3。
作为示例，本公开实施例中，第四AlGaN层25的Si掺杂浓度为8×1018cm-3。
示例性地，AlN层26的Si掺杂浓度为1×1018cm-3至5×1019cm-3。
作为示例，本公开实施例中，AlN层26的Si掺杂浓度为5×1018cm-3。
可选地，在第一AlGaN层21、第二AlGaN层22、第三AlGaN层24和第四AlGaN层25中，相邻的两个膜层的Al组分含量的差值小于或者等于0.5。
通过控制发光二极管的生长方向上，各子层的Al组分含量逐渐降低，能有效减少子层对电流扩展的阻力，让电流能均匀地扩展到n型层20的各个区域。
并且，还控制相邻的两个膜层的Al组分含量的差值在上述范围内，能避免Al组分含量的差值过大而影响电流从一个子层扩展到另一个子层的均匀性。
可选地，第一AlGaN层21为AlaGa1-aN层，其中，0.6＜a＜1。
示例性地，第一AlGaN层21中a为0.8。
一种实现方式中，第一AlGaN层21具有在发光二极管的生长方向上层叠的多个子层，在发光二极管的生长方向上，第一AlGaN层21的多个子层的Al组分含量递减。即在第一AlGaN层21的厚度方向上，Al组分含量也是递减的。这样让电流在第一AlGaN层21中也更容易扩展开来，进一步提升电流的扩展均匀性。
示例性地，在第一AlGaN层21的厚度方向上，Al组分含量可以从0.9降低至0.7。
另一种实现方式中，在发光二极管的生长方向上，第一AlGaN层21中各子层的Al组分含量均保持一致。
可选地，第一AlGaN层21的厚度为50nm至200nm。示例性地，第一AlGaN层21的厚度为100nm。
可选地，第二AlGaN层22为AlbGa1-bN层，其中，0.5＜b＜1。
示例性地，第二AlGaN层22中b为0.7。
一种实现方式中，第二AlGaN层22具有在发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在发光二极管的生长方向上，第二AlGaN层22的多个子层的Al组分含量递减。即在第二AlGaN层22的厚度方向上，Al组分含量也是递减的。这样让电流在第二AlGaN层22中也更容易扩展开来，进一步提升电流的扩展均匀性。
示例性地，在第二AlGaN层22的厚度方向上，Al组分含量可以从0.8降低至0.6。
另一种实现方式中，在发光二极管的生长方向上，第二AlGaN层22中各子层的Al组分含量均保持一致。
可选地，第二AlGaN层22的厚度为1μm至3μm。示例性地，第二AlGaN层22的厚度为2μm。
可选地，第三AlGaN层24为AlcGa1-cN层，其中，0.3＜c＜0.7。
示例性地，第三AlGaN层24中c为0.5。
一种实现方式中，第三AlGaN层24具有在发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在发光二极管的生长方向上，第三AlGaN层24的多个子层的Al组分含量递减。即在第三AlGaN层24的厚度方向上，Al组分含量也是递减的。这样让电流在第三AlGaN层24中也更容易扩展开来，进一步提升电流的扩展均匀性。
示例性地，在第三AlGaN层24的厚度方向上，Al组分含量可以从0.7降低至0.4。
另一种实现方式中，在发光二极管的生长方向上，第三AlGaN层24中各子层的Al组分含量均保持一致。
可选地，第三AlGaN层24的厚度为200nm至1000nm。示例性地，第三AlGaN层24的厚度为500nm。
可选地，第四AlGaN层25为AldGa1-dN层，其中，0≤d＜0.3。
示例性地，第四AlGaN层25中d为0。也即是，第四AlGaN层25为GaN层。由于低阻的GaN层能起到“蓄水池”的作用，以将电子存储与n型层20内。且n型层20中靠近多量子阱层30的子层为AlN层，高阻的AlN层能起到“拦水坝”作用，与GaN层配合存储电子，并避免电子迅速进入到多量子阱层30内。这样即使是在大电流注入条件下，都能使电子在多量子阱层30内更好的均匀分布，提高发光二极管的发光效率。
一种实现方式中，第四AlGaN层25具有在发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在发光二极管的生长方向上，第四AlGaN层25的多个子层的Al组分含量递减。即在第四AlGaN层25的厚度方向上，Al组分含量也是递减的。这样让电流在第四AlGaN层25中也更容易扩展开来，进一步提升电流的扩展均匀性。
示例性地，在第四AlGaN层25的厚度方向上，Al组分含量可以从0.3降低至0。
另一种实现方式中，在发光二极管的生长方向上，第四AlGaN层25中各子层的Al组分含量均保持一致。
可选地，第四AlGaN层25的厚度为1nm至10nm。示例性地，第四AlGaN层25的厚度为5nm。
本公开实施例中，AlN层26为AlN层。AlN层的势垒高度大于第一AlGaN层21、第二AlGaN层22、第三AlGaN层24和第四AlGaN层25的势垒高度。这样通过高阻的AlN层能起到“拦水坝”作用，避免电子迅速进入到多量子阱层30内。这样即使是在大电流注入条件下，都能使电子在多量子阱层30内更好的均匀分布，提高发光二极管的发光效率。
可选地，AlN层26的厚度为1nm至50nm。示例性地，AlN层26的厚度为30nm。
可选地，如图1所示，发光二极管还包括SiN层23，SiN层23夹在第二AlGaN层22和第三AlGaN层24之间。也即是，第一AlGaN层21、第二AlGaN层22、SiN层23、第三AlGaN层24、第四AlGaN层25和AlN层26依次层叠。
上述实现方式中，在第二AlGaN层22和第三AlGaN层24之间还设置有SiN层，SiN层在反应腔内能够使氨气与反应腔内寄生的Al发生反应，减少Al的寄生反应。
可选地，SiN层23的厚度为1nm至50nm。示例性地，SiN层23的厚度为20nm。
可选地，如图1所示，p型层40的表面具有露出n型层20的凹槽。发光二极管还包括透明导电层60、n电极51和p电极52。透明导电层60位于p型层40远离衬底10的表面上，p电极52位于透明导电层60上，n电极51位于凹槽内，且与n型层20相连。
示例性地，透明导电层可以是氧化铟锡(Indium Tin Oxide，简称ITO)层。氧化铟锡层具有良好的透射率和低电阻率，采用氧化铟锡层作为透明导电层能使得更多的光线从透明导电层透射出，因而保证出光效果；同时，由于电阻率低，因此，还便于载流子传导，提高注入效率。
示例性地，透明导电层可以是氧化铟锌(Indium Zinc Oxide，简称IZO)层。氧化铟锌层具有良好的透射率和低电阻率，采用氧化铟锌层作为透明导电层能使得更多的光线从透明导电层透射出，因而保证出光效果；同时，由于电阻率低，因此，还便于载流子传导，提高注入效率。
作为示例，透明导电层的厚度可以为1000埃至5000埃。例如，透明导电层的厚度为2000埃。
可选地，在衬底10和n型层20之间还可以包括依次层叠在衬底10上的缓冲层、成核层和填平层。
作为示例，本公开实施例中，衬底为蓝宝石衬底。蓝宝石衬底为一种常用衬底，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底或蓝宝石平片衬底。
本公开实施例中，缓冲层可以是AlN层，AlN层是在温度为400℃至800℃之间生长形成的AlN层。
其中，缓冲层的厚度可以是10nm至50nm。示例性地，缓冲层的厚度可以是20nm。
通过将缓冲层的厚度设置在上述范围内，可以避免缓冲层的厚度过薄，而降低在较薄的缓冲层上生长的外延层的晶体质量；还可以避免缓冲层的厚度过厚，则会增加缓冲层对光的吸收，从而导致发光二极管的发光效率降低。
可选地，成核层可以是三维GaN成核层。
示例性地，三维GaN成核层的生长厚度可为0.3μm至0.5μm。
本公开实施例中，在三维GaN成核层和n型层20之间还生长有一层填平层。其中，填平层可以是AlGaN层。相较于衬底10，由于填平层的晶体结构与n型层20相似，通过设置AlGaN层作为过渡层，能提升后续外延层的晶体质量。
其中，AlGaN层的厚度为0.5μm至3μm。示例性地，AlGaN层的厚度为2μm。
通过将AlGaN层的厚度设置在上述范围内，可以避免AlGaN层的厚度过薄，而起不到过渡的作用，降低生长的外延层的晶体质量；还可以避免AlGaN层的厚度过厚，则会增加AlGaN层对光的吸收，从而导致发光二极管的发光效率降低。
可选地，多量子阱层30包括3至8个AlmGa1-mN量子阱层和AlnGa1-nN量子垒层，其中0＜m＜n＜1。即多量子阱层30包括交替层叠的3至8个周期的AlmGa1-mN量子阱层和AlnGa1-nN量子垒层。
作为示例，本公开实施例中，多量子阱层30包括交替层叠的5个周期的AlmGa1-mN量子阱层和AlnGa1-nN量子垒层。
示例性地，多量子阱层30的厚度可以为150nm至200nm。
可选地，p型层40可以是p型AlGaN层。p型AlGaN层的厚度可以为0.5μm至3μm。
图2是本公开实施例提供的一种发光二极管的制备方法的流程图。该方法用于制备图1所示的发光二极管。如图2所示，该制备方法包括：
S11：提供一衬底。
S12：在衬底上形成n型层。
其中，n型层包括层叠的第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层；第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层和第四AlGaN层的Al组分含量逐渐降低，第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层的n型掺杂浓度逐渐降低。
示例性地，n型掺杂是指在膜层中掺入Ⅴ族元素，掺入Ⅴ族元素能提供额外电子，从而膜层中的电子浓度。
作为示例，本公开实施例中，n型掺杂是指在膜层中掺入Si。即第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层的Si掺杂浓度逐渐降低。
S13：在n型层上形成多量子阱层。
S14：在多量子阱层上形成p型层。
该制备方法制备的发光二极管中的n型层包括层叠的第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层。由于膜层势垒高度是由材料的禁带宽度决定的，且禁带宽度越大，膜层的势垒高度越大。而GaN层的禁带宽度为3.4eV，AlGaN的禁带宽度是6.2eV，即AlGaN的势垒高度要大于GaN层的势垒高度，因而可知Al组分含量会影响AlGaN的禁带宽度，且Al组分含量越高，AlGaN的禁带宽度越大，AlGaN的势垒高度也就越大。因此，本公开实施例通过限定第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层和第四AlGaN层的Al组分含量逐层降低，这样就使得n型层的各AlGaN层的势垒高度沿着发光二极管的生长逐渐降低，使得从n型层注入电流不仅是垂直方向还是横向，都能够在较短行程内让扩展开来，从而让电流在n型层上均匀扩展，有效降低了发光二极管的正向工作电压。
并且在n型层中远离多量子阱层的子层为AlGaN层，且Al组分含量越低，子层的电阻越小，这样低阻的AlGaN层能起到“蓄水池”的作用，以将电子存储与n型层内。且n型层中靠近多量子阱层的子层为AlN层，在n型层的各子层中Al组分含量最大，因此AlN层的电阻最高，高阻的AlN层能起到“拦水坝”作用，与AlGaN层配合存储电子，并避免电子迅速进入到多量子阱层内。这样即使是在大电流注入条件下，都能使电子在多量子阱层内更好的均匀分布，提高发光二极管的发光效率。
同时，n型层中各子层在发光二极管的生长方向上的Al组分含量逐渐降低，这样能减少Al原子的寄生反应，提高Al原子的在外延膜层的迁移率能力，减少Al原子在AlN层或AlGaN层在外延生长过程中，因寄生反应而形成不同的成核点，降低成核点进一步形成岛屿并相互合并，有效地降低材料产生大量的缺陷，位错和缺陷密度，进一步提高发光二极管的生长晶体质量，提升发光二极管的量子效率。
并且，第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层的n型掺杂浓度逐渐降低。由于自由电子的质量轻，迁移速率又快，而空穴质量较电子要重，迁移率差，所以在多量子阱层的发光区域，电子很容易发生溢流。首先利用n型层沿生长方向n型掺杂浓度逐渐降低，使电子能均匀扩散并能较好的注入到量子阱中，使电子和空穴能有效的发生辐射复合，提高发光效率。其次调制Al组分的目的，一方面通过调制Al组分增加势垒高度来降低电子的迁移速率，更有效的阻止电子发生溢流，使更多的电子在发光区与空穴发生复合，AlGaN层起滞缓电子流速的作用。另一方通过调制Al组分来生长第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层，主要是降低Al原子的寄生反应，降低因Al寄生反应形成的成核点，从而降低材料生长的缺陷密度，提到外延层生长的晶体质量。
在步骤S11中，衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。衬底可以为平片衬底，也可以为图形化衬底。
作为示例，本公开实施例中，衬底为蓝宝石衬底。蓝宝石衬底为一种常用衬底，技术成熟，成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底或蓝宝石平片衬底。
在步骤S11中，可以将蓝宝石衬底在1000℃至1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理5min至20min，然后进行氮化处理。
在步骤S11中，可以对蓝宝石衬底进行预处理，将蓝宝石衬底置于MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积)反应室中，对蓝宝石衬底进行烘烤处理12分钟至18分钟。作为示例，本公开实施例中，对蓝宝石衬底进行烘烤处理15分钟。
具体地，烘烤温度可以为1000℃至1200℃，烘烤时MOCVD反应室内的压力可以为100mbar至200mbar。
在步骤S12之前还可以包括以下几步：
第一步，在衬底上生长缓冲层。
具体地，将蓝宝石衬底放入利用物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，简称PVD)设备磁控溅射沉积AlN层，得到缓冲层。
其中，PVD设备中生长温度为400℃至800℃，溅射功率为3000W至5000W，压力为2mmbar至20mmbar，AlN层沉积厚度为10nm至50nm。
第二步，将镀有缓冲层的衬底放入MOCVD系统中生长成核层。MOCVD反应室温度为950℃至1080℃，反应室压力控制在300mbar至500mbar，氮气、氢气、氨气混合气氛条件下，成核层的生长厚度为0.3μm至0.5μm。
第三步，在成核层上生长填平层。
其中，AlGaN层的厚度为0.5μm至3μm。示例性地，AlGaN层的厚度为2μm。
具体地，MOCVD系统中温度调节至1000℃至1150℃，生长压力为100Mbar至300Mbar的环境下，生长厚度为0.5μm至3μm的AlGaN层。
步骤S12中生长的n型层可以包括依次层叠的第一AlGaN层、第二AlGaN层、SiN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层。
其中，第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层中，相邻的两个膜层的Si掺杂浓度为差值小于或等于8.9×1020cm-3。通过将相邻的两个膜层的Si掺杂浓度的差值限定在上述范围内，能避免相邻的两个子层的Si掺杂浓度降低过多，而起不到让电流在n型层内均匀扩展的效果。
本公开实施例中，n型层的生长过程可以包括以下几步：
第一步，在填平层上生长第一AlGaN层。
可选地，生长第一AlGaN层时不掺杂Si。
具体可以包括：控制生长压力为100mbar至400mbar，生长温度为1300℃至1400℃，控制生长气氛为纯氢气，生长第一AlGaN层。
可选地，第一AlGaN层的厚度为50nm至200nm。示例性地，第一AlGaN层的厚度为100nm。
本公开实施例中，第一AlGaN层的Al组分含量为0.8。第一AlGaN层的生长温度为1350℃，生长压力为200mbar。
第二步，在第一AlGaN层上生长第二AlGaN层。
其中，控制第二AlGaN层的Si掺杂浓度为5×1019cm-3至9×1020cm-3。示例性地，Si掺浓度为5×1020cm-3。
可选地，第二AlGaN层的厚度为1μm至3μm。示例性地，第二AlGaN层的厚度为2μm。
具体可以包括：控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1300℃至1350℃，控制生长气氛为纯氢气，生长第二AlGaN层。
示例性地，在发光二极管的生长方向上，第二AlGaN层中各子层的Al组分含量递减。且Al组分含量从0.8递减到0.6。
本公开实施例中，第二AlGaN层的生长温度为1330℃，生长压力为100mbar。
第三步，在第二AlGaN层上生长SiN层。
具体可以包括：控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1270℃至1370℃，控制生长气氛为氮气和氢气的混合气体，在第二AlGaN层上生长SiN层。
本公开实施例中，SiN层的生长温度为1330℃，生长压力为100mbar，生长气氛为氮气、氢气混合气体，SiN层厚度为5nm。
其中，SiN层未掺杂Al、Ga元素，生长SiN层后再预通氨气120s，使氨气与MOCVD腔体里寄生的Al发生反应，减少Al的寄生反应。
第四步，在SiN层上生长第三AlGaN层。
具体可以包括：控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1200℃至1300℃，控制生长气氛为纯氢气，生长第三AlGaN层。
本公开实施例中，第三AlGaN层的生长温度为1250℃，生长压力为100mbar。第三AlGaN层中Al组分含量为0.5，Si掺浓度为5×1019cm-3，第三AlGaN层的厚度为500nm。
第五步，在第三AlGaN层上生长第四AlGaN层。
具体可以包括：控制生长压力为100mbar至400mbar，生长温度为1150℃至1250℃，控制生长气氛为氮气和氢气的混合气体，生长第四AlGaN层。
本公开实施例中，当第四AlGaN层中d＝0时，第四AlGaN层的厚度小于2nm，生长温度为1220℃，生长压力为200mbar。
当第四AlGaN层中0<d<0.3时，第四AlGaN层中的厚度为5nm，生长温度为1230℃，生长压力为100mbar。Si掺浓度为8×1018cm-3。
第六步，在第四AlGaN层上生长AlN层。
具体可以包括：控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1200℃至1300℃，控制生长气氛为纯氢气，生长AlN层。
本公开实施例中，AlN层的生长温度为1200℃，生长压力为100mbar，其中Si掺浓度为5×1018cm-3。
步骤S13包括：在n型层上生长多量子阱层。
其中，多量子阱层包括3至8个AlmGa1-mN量子阱层和AlnGa1-nN量子垒层，其中0＜m＜n＜1。即多量子阱层包括交替层叠的3至8个周期的AlmGa1-mN量子阱层和AlnGa1-nN量子垒层。
作为示例，本公开实施例中，多量子阱层包括交替层叠的5个周期的AlmGa1-mN量子阱层和AlnGa1-nN量子垒层。
示例性地，多量子阱层的厚度可以为150nm至200nm。
制备各量子阱层的过程可以包括：在纯氮气气氛生长条件，控制生长温度为700℃至850℃，控制生长压力为200mbar至500mbar，生长AlmGa1-mN量子阱层。
制备各量子垒层的过程可以包括：在氮气和氢气混合气氛中，控制生长温度为800℃至960℃，控制生长压力为100mbar至300mbar，生长AlnGa1-nN量子垒层。
步骤S14可以包括：在多量子阱层上生长p型层。
其中，p型层可以是p型AlGaN层。p型AlGaN层的厚度可以为0.5μm至3μm。
在生长p型层时，控制生长压力在200Mbar至600Mbar的环境下，生长温度为800℃至1000℃，生长p型层。
在步骤S14之后，制备方法还可以包括：对发光二极管进行退火。
外延生长结束后，将反应室的温度降至650℃至850℃，在N2气氛进行退火处理5min至15min，而后逐渐降至室温，随后，经过清洗、沉积、光刻和刻蚀后续加工工艺制成芯片。
在具体实现时，本公开实施例可以采用高纯H2或/和N2作为载气，采用TEGa或TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，SiH4作为n型掺杂剂，TMAl作为铝源，氨气作为N源，Cp2Mg作为p型掺杂剂。
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括依次层叠的n型层(20)、多量子阱层(30)和p型层(40)，所述n型层(20)包括层叠的第一AlGaN层(21)、第二AlGaN层(22)、第三AlGaN层(24)、第四AlGaN层(25)和AlN层(26)；
所述第一AlGaN层(21)、所述第二AlGaN层(22)、所述第三AlGaN层(24)和所述第四AlGaN层(25)的Al组分含量逐层降低，所述第二AlGaN层(22)、所述第三AlGaN层(24)、所述第四AlGaN层(25)和所述AlN层(26)的n型掺杂浓度逐渐降低。
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AlGaN层(21)未掺杂Si，在所述第二AlGaN层(22)、所述第三AlGaN层(24)、所述第四AlGaN层(25)和所述AlN层(26)中，相邻的两个膜层的Si掺杂浓度为差值小于或等于8.9×1020cm-3；
所述第二AlGaN层(22)的Si掺杂浓度为5×1019cm-3至9×1020cm-3。
3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，在所述第一AlGaN层(21)、所述第二AlGaN层(22)、所述第三AlGaN层(24)和所述第四AlGaN层(25)中，相邻的两个膜层的Al组分含量的差值小于或者等于0.5；
所述第一AlGaN层(21)为AlaGa1-aN层，其中，0.6＜a＜1；
所述第四AlGaN层(25)为AldGa1-dN层，其中，0≤d。
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AlGaN层(21)具有在所述发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在所述发光二极管的生长方向上，所述第一AlGaN层(21)的多个子层的Al组分含量递减；
所述第二AlGaN层(22)具有在所述发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在所述发光二极管的生长方向上，所述第二AlGaN层(22)的多个子层的Al组分含量递减；
所述第三AlGaN层(24)具有在所述发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在所述发光二极管的生长方向上，所述第三AlGaN层(24)的多个子层的Al组分含量递减；
所述第四AlGaN层(25)具有在所述发光二极管的生长方向上依次层叠的多个子层，在所述发光二极管的生长方向上，所述第四AlGaN层(25)的多个子层的Al组分含量递减。
5.根据权利要求1至4任一项所述的发光二极管，其特征在于，所述n型层(20)还包括SiN层(23)，所述SiN层(23)夹在所述第二AlGaN层(22)和所述第三AlGaN层(24)之间。
6.根据权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，所述第一AlGaN层(21)的厚度为50nm至200nm，所述第二AlGaN层(22)的厚度为1μm至3μm，所述SiN层(23)的厚度为1nm至50nm，所述第三AlGaN层(24)的厚度为200nm至1000nm，所述第四AlGaN层(25)的厚度为1nm至10nm，所述AlN层(26)的厚度为1nm至50nm。
7.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上形成n型层，所述n型层包括层叠的第一AlGaN层、第二AlGaN层、第三AlGaN层、第四AlGaN层和AlN层；所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层和所述第四AlGaN层的Al组分含量逐渐降低，所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层、所述第四AlGaN层和所述AlN层的n型掺杂浓度逐渐降低；
在所述n型层上形成多量子阱层；
在所述多量子阱层上形成p型层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，生长所述第一AlGaN层时不掺杂Si，生长所述第二AlGaN层时，控制所述第二AlGaN层的Si掺杂浓度为5×1019cm-3至9×1020cm-3；
控制所述第二AlGaN层、所述第三AlGaN层、所述第四AlGaN层和所述AlN层中，相邻的两个膜层的Si掺杂浓度为差值小于或等于8.9×1020cm-3。
9.根据权利要求7或8任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述衬底上形成n型层包括：
控制生长压力为100mbar至400mbar，生长温度为1300℃至1400℃，控制生长气氛为纯氢气，生长所述第一AlGaN层；
控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1300℃至1350℃，控制生长气氛为纯氢气，生长所述第二AlGaN层；
控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1200℃至1300℃，控制生长气氛为纯氢气，生长所述第三AlGaN层；
控制生长压力为100mbar至400mbar，生长温度为1150℃至1250℃，控制生长气氛为氮气和氢气的混合气体，生长所述第四AlGaN层；
控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1200℃至1300℃，控制生长气氛为纯氢气，生长所述AlN层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述衬底上形成n型层还包括：
在生长所述第三AlGaN层之前，控制生长压力为30mbar至200mbar，生长温度为1270℃至1370℃，控制生长气氛为氮气和氢气的混合气体，在所述第二AlGaN层上生长SiN层。
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