一種發光二極體的製作方法
2023-10-07 07:07:49
一種發光二極體的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種發光二極體，至少包括N型層、發光層和P型層，所述發光層為壘層、第一過渡層、阱層、第二過渡層的多量子阱周期結構，其中壘層、第一過渡層和第二過渡層中至少插入兩個非均勻厚度的AlN薄層。本發明採用AlN薄層與壘層、第一過渡層、第二過渡層形成的交疊結構，可以有效調製量子阱區的極化場，減少阱壘層之間的極化電荷，減弱能帶傾斜，提高載流子在量子阱區的輻射複合效率。
【專利說明】一種發光二極體
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體器件，更詳細地說，是涉及III族氮化物的多量子阱周期結構的發光二極體。
[0002]發明背景
發光二極體具有電光轉換效率高、使用壽命長、環保、節能等優點，已被公認為第三代照明光源。GaN基外延片是LED的核心組成部分，決定著LED產品的性能。發光效率已成為影響發光二極體性能的瓶頸，影響產品的用途拓展。因此減少阱壘層之間的極化電荷，減弱能帶傾斜，提高器件的發光效率已經成為目前的技術研究熱點。
[0003]中國專利CN201110258718《一種提高發光二極體發光效率的方法》通過生長不同厚度的壘層，通過加厚靠近N型層的壘層厚度，降低靠近P型層的壘層厚度，提高電子空穴的複合效率從而提高發光效率。該方案所述的結構對於發光效率提升幅度有限。因此需要提供一種可以進一步減少講壘.界面極化電荷、提聞發光效率的技術方案。
【發明內容】
[0004]本發明提供的主要技術方案為:一種發光二極體，從下至上依次包括襯底、緩衝層、N型層、應力釋放層、發光層、P型層和P型接觸層。
[0005]所述發光層為壘層、第一過渡層、阱層、第二過渡層的多量子阱周期結構，其中至少一個壘層、第一過渡層、第二過渡層包含至少兩個非均勻厚度的AlN薄層。
[0006]在本發明的一些實施例中，所述壘層、第一過渡層和第二過渡層中的任意一層至少插入兩個AlN薄層。
[0007]在本發明的一些實施例中，所述壘層、第一過渡層和第二過渡層中的至少有兩層各至少插入一個AlN薄層。
[0008]在本發明的一些實施例中，所述壘層、第一過渡層和第二過渡層中的每層各至少插入一個AlN薄層。
[0009]所述AlN薄層的厚度變化沿生長方向可以為線性變化或非線性變化，其在壘層、第一過渡層、第二過渡層中厚度沿著生長方向逐漸變化，可以逐漸減小，也可以逐漸增大，或者先增大後減小，或者先減小後增大。
[0010]所述AlN薄層的厚度在0.lnnT6nm範圍內波動，層數優選2?10層。
[0011]所述發光層的所有多量子阱周期結構均插入AlN薄層或者僅部分多量子阱周期結構插入AlN薄層。
[0012]進一步地，所述AlN薄層的層數可以為發光層的全部壘層及其第一過渡層、第二過渡層或部分壘層及其第一過渡層、第二過渡層。
[0013]所述AlN薄層的摻雜水平介於I X 116CnT3?I X 119CnT3之間，位於壘層中的AlN薄層摻雜濃度不低於壘層的摻雜，第一過渡層和第二過渡層中的摻雜濃度不高於壘層的摻雜濃度。
[0014]所述發光層的多量子阱結構的周期個數η:2?100，優選5?15。
[0015]所述多量子阱結構的壘層由AlxInyGai_x_yN組成，其中O彡X彡1,0 ^ y ^ 1，O ^ x+y ^ I。所述壘層的厚度可以變化也可以保持不變。
[0016]所述多量子阱結構的阱層由AlpInqGamN組成，其中O彡P彡l，0〈q彡1，O ^ p+q ^ 1，其生長溫度不大於壘層的生長溫度，所述量子阱層的In組分應不小於壘層中的In組分，其禁帶寬度的最大值不大於壘層材料的禁帶寬度。
[0017]所述多量子阱結構的第一過渡層由AlaInbGa1IbN組成，其中O彡a彡1，0彡b彡1，O ^ a+b ^ 1，其禁帶寬度的最大值不大於壘層材料的禁帶寬度，最小值不小於阱層材料的禁帶寬度。
[0018]所述多量子阱結構的第二過渡層由AleIndGa1IdN組成，其中O彡c彡1，0彡d彡1，O ^ c+d ^ 1，其禁帶寬度的最大值不大於壘層材料的禁帶寬度，最小值不小於阱層材料的禁帶寬度。第二過渡層的材料與第一過渡層可以相同，也可以不同。
[0019]本發明所述的發光二極體，具有以下有益效果:
(I)本發明提供的非均勻厚度的AlN薄層與壘層、第一過渡層、第二過渡層形成的交疊結構，可以有效調製量子阱區的極化場，減少阱壘層之間的極化電荷，減弱能帶傾斜，提高載流子在量子阱區的輻射複合效率。
[0020](2) AlN薄層與壘層、第一過渡層、第二過渡層形成的異質結界面內可高濃度二維電子氣，可使得電流分布更為均勻，從而提高發光二極體的可靠性和抗靜電能力。
[0021](3)本發明採用的AlN薄層的厚度、層數及摻雜濃度可調節，對於不同波段的發光二極體發光效率的提升可優化空間大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]附圖用來說明對本發明的進一步理解，並構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用於解釋本發明，並不構成對本發明的限制。附圖數據是描述概要，不是按比例繪製。提供這些實施例是為了使所公開的內容更完整地向本專業的技術人員充分詮釋本發明的範圍。同時，本發明可以由許多不同形式體現，不應認為僅限於此文提出的實施例。
[0023]圖1為本發明實施例提供的發光二極體的剖面示意圖。
[0024]圖2為本發明實施例提供的發光二極體的多量子阱結構的剖面示意圖。
[0025]圖3為本發明實施例提供的多量子阱結構的第一種形式的控制示意圖。
[0026]圖4為本發明實施例提供的多量子阱結構的第二種形式的控制示意圖。
[0027]圖5為本發明實施例提供的多量子阱結構的第三種形式的控制示意圖。
[0028]圖6為本發明實施例提供的多量子阱結構的第四種形式的控制示意圖。
[0029]圖中標示:100:襯底；101:緩衝層；102:N型GaN層；103:應力釋放層；104 =MQff發光層；104a AlxInyGa1HN 魚層；104b: AlaInbGa1^bN 第一過渡層；104c AlpInqGa1TqN 講層；104d =AlcIndGa1IdN 第二過渡層；104an, 104bn, 104dn:A1N 薄層；105:P 型層；106:P 型接觸層；107:N電極；108:P電極；109:絕緣保護層。
【具體實施方式】
[0030]下面將結合附圖對本發明的非均勻厚度AlN薄層的多量子阱結構發光二極體的優選實施例進行更詳細的描述。
[0031]實施例1
如圖1所示，本發明提供一種非均勻厚度AlN薄層的多量子阱結構發光二極體，從下至上依次包括:
Cl) 一襯底100，所述襯底選用藍寶石(A1203)、SiC、GaN或Si，本實施例優選藍寶石襯
。
[0032](2) 一緩衝層101，所述緩衝層生長在經過高溫氫化處理的襯底100之上，為氮化鎵(GaN)和/或氮化鋁(AlN)和/或氮化鋁鎵(GaAlN)層，生長溫度為40(T650°C，厚度為Inm?50 nmD
[0033](3) 一 N型GaN層102，所述N型GaN層生長在緩衝層101之上，生長溫度為1000?12001:，厚度為 500nnT5000nm，摻雜濃度為 I X 118?I X 102°cnT3，優選 I X 11W, #雜源優選SiH4。
[0034](4)一應力釋放層103，所述應力釋放層位於N型GaN層102之上，材料優選InGaN/GaN層，生長溫度為70(Tl000°C，厚度為l(T500nm。
[0035](5) 一 (AlJn.Ga^^N/AlpIn^a^^N)!!多量子阱(MQW)結構發光層 104，所述多量子阱結構發光層生長在應力釋放層103之上，生長溫度為70(T90(rc。所述多量子阱結構發光層104由周期性的壘層104a/第一過渡層104b/阱層104c/第二過渡層/104c交替堆疊而成，如圖2所示，周期個數η:2?100，優選5?15。
[0036]其中所述魚層104a的厚度為5nnT30nm,所述第一過渡層104b的厚度為0.5nnTl0nm,所述講層104c的厚度為InnTlOnm,所述第二過渡層104d的厚度為0.5nm?10nmo
[0037]所述發光層為壘層、第一過渡層、阱層、第二過渡層的多量子阱周期結構，如圖3所示，在壘層中插入兩個非均勻厚度的AlN薄層，所述AlN薄層在壘層中的厚度沿著生長方向可以逐漸減小，也可以逐漸增大，或者先增大後減小，或者先減小後增大。優選的，所述AlN薄層，在壘層中的厚度沿著生長方向逐漸減小。所述壘層中AlN薄層104an的厚度為
0.lnnT6nm,層數優選2-10層。
[0038]所述第一過渡層中AlN薄層104bn的厚度為0.lnnT6nm，層數優選2-10層。
[0039]所述第二過渡層中AlN薄層104dn的厚度為0.lnnT6nm，層數優選2-10層。
[0040]所述AlN薄層的插入位置可以位於發光層的全部壘層或部分壘層中。
[0041]所述AlN薄層厚度的變化沿生長方向可以為線性變化或非線性變化。
[0042]所述壘層中AlN薄層摻雜水平介於I X 116^l X 119 cm_3之間，摻雜濃度不低於壘層的摻雜，第一過渡層和第二過渡層中的AlN薄層摻雜濃度不高於壘層的摻雜濃度，摻雜源優選SiH4。
[0043]所述分別在壘層104a、第一過渡層104b、第二過渡層104d中的AlN薄層104an、104bn、104dn的插入位置可調節。
[0044](6)— P型GaN層105，所述P型GaN層生長在MQW發光層103之上，生長溫度為80(Tl00(TC，厚度為 10nnT300nm，摻雜濃度為 I X 119?I X 1021cnT3，優選 I X 102°cnT3，摻雜源優選CP2Mg。
[0045](7) — P型接觸層106，所述P型GaN層生長在P型GaN層105之上，生長溫度為80(Tl00(TC，厚度為 lnnT30nm，摻雜濃度為 I X 119?I X 1022cnT3，優選 5 X 102°cnT3，摻雜源優選 CP2Mg。
[0046](8) 一 N電極107，所述N電極製作在通過蝕刻工藝暴露出的部分N型GaN層102之上。
[0047](9) 一 P電極108，所述P電極製作在P型接觸層106之上。
[0048](10)—絕緣保護層109，所述絕緣保護層製作在裸露發光二極體的表面，用於保護髮光二極體。
[0049]實施例2
與實施例1不同的是步驟(5)，如圖4所示，在壘層、第一過渡層中各插入一個非均勻厚度的AlN薄層所述AlN薄層，在壘層、第一過渡層中的厚度沿著生長方向逐漸減小。
[0050]實施例3
與實施例1不同的是步驟(5)，如圖5所示，在壘層、第一過渡層、第二過渡層中各插入一個非均勻厚度的AlN薄層。所述AlN薄層，在壘層、第一過渡層、第二過渡層中的厚度沿著生長方向逐漸減小。
[0051]實施例4
與實施例1不同的是步驟(5)，如圖6所示，在壘層、第一過渡層、第二過渡層中各插入兩個非均勻厚度的AlN薄層。所述AlN薄層，在壘層中厚度沿著生長方向逐漸減小，在第一過渡層中厚度沿著生長方向逐漸減小，在第二過渡層中厚度沿著生長方向逐漸增大。
[0052]以上多量子阱結構發光二極體，採用非均勻厚度的AlN薄層與壘層、第一過渡層、第二過渡層形成的交疊結構，可以有效調製量子阱區的極化場，減少阱壘層層之間的極化電荷，減弱能帶傾斜，提高載流子在量子阱區的輻射複合效率，從而提高發光效率。同時，AlN薄層與壘層、第一過渡層、第二過渡層形成的異質結界面內可高濃度二維電子氣，可使得電流分布更為均勻，從而提高發光二極體的可靠性和抗靜電能力。此外，本發明採用的AlN薄層的厚度、層數及摻雜濃度可調節，對於不同波段的發光二極體發光效率的提升可優化空間大。
[0053]以上表示了本發明的優選實施例，應該理解的是，本領域技術人員可以修改在此描述的本發明，而仍然實現本發明的有利效果。因此，以上描述應當被理解為對於本領域技術人員的廣泛知道，而並不作為對本發明的限制，凡依本發明所做的任何變更，皆屬本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種發光二極體，至少包括N型層、發光層和P型層，其特徵在於:所述發光層為壘層、第一過渡層、阱層和第二過渡層組成的多量子阱周期結構，其中壘層、第一過渡層和第二過渡層中至少插入兩個非均勻厚度的AlN薄層。
2.根據權利要求1所述的一種發光二極體，其特徵在於:所述壘層、第一過渡層和第二過渡層中的任意一層至少插入兩個AlN薄層。
3.根據權利要求1所述的一種發光二極體，其特徵在於:所述壘層、第一過渡層和第二過渡層中的至少有兩層各至少插入一個AlN薄層。
4.根據權利要求1所述的一種發光二極體，其特徵在於:所述壘層、第一過渡層和第二過渡層中的每層各至少插入一個AlN薄層。
5.根據權利要求1所述的一種發光二極體，其特徵在於:所述發光層的所有多量子阱周期結構均插入AlN薄層或者僅部分多量子阱周期結構插入AlN薄層。
6.根據權利要求1所述的一種發光二極體，其特徵在於:所述AlN薄層厚度為0.lnnT6nm,層數為2?10層。
7.根據權利要求1所述的一種發光二極體，其特徵在於:所述AlN薄層厚度沿著生長方向呈線性變化或非線性變化，變化趨勢為逐漸減小或者逐漸增大，或者先增大後減小，或者先減小後增大。
8.根據權利要求1所述的一種發光二極體，其特徵在於:所述AlN薄層的摻雜濃度為lX1016cm_3?lX1019cm_3。
9.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於:所述壘層AlxInyGa^yN組成，其中O ^ X ^ 1,0 ^ y ^ 1,0 ^ x+y ( I，所述講層 AlpInqGa1HN 組成,其中1,0 ^ I,O ( p+q ( I。
10.根據權利要求1所述的發光二極體，其特徵在於:所述第一過渡層由AlaInbeal_a_bN組成，其中O < a < 1，0< b < 1，0< a+b < 1，其禁帶寬度的最大值不大於壘層材料的禁帶寬度，最小值不小於阱層材料的禁帶寬度，所述第二過渡層由AlcJndGalIdN組成，其中O彡c彡1，0彡d彡1，0彡c+d彡1，其禁帶寬度的最大值不大於壘層材料的禁帶寬度，最小值不小於阱層材料的禁帶寬度。
【文檔編號】H01L33/00GK104319322SQ201410600804
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】杜偉華, 周啟倫, 伍明躍, 李志明, 尋飛林, 鄭錦堅, 李水清 申請人:廈門市三安光電科技有限公司