CN107919415B

CN107919415B - 发光二极管及其制作方法

Info

Publication number: CN107919415B
Application number: CN201711348110.7A
Authority: CN
Inventors: 林文禹; 叶孟欣; 罗云明; 曾建尧; 张中英
Original assignee: Xiamen Sanan Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: Xiamen Sanan Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2019-11-19
Anticipated expiration: 2037-12-15
Also published as: CN107919415A

Abstract

本发明提供一种发光二极管及其制作方法，其中所述发光二极管依次包括：N型导通层、发光层和P型导通层，所述N型导通层分布有Al点。本发明可以藉由外延生长气氛的控制，在N型传导层稳定形成富铝点的分布，整个外延LED结构的表面仍保持平整，一方面可以有效降低正向电压，另一方面提升了高电流密度下的发光效率。

Description

发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及氮化镓半导体器件外延领域，具体涉及一种具有富铝点（Al-richdots）的发光二极管。

背景技术

发光二极管（LED，Light Emitting Diode）是一种半导体固体发光器件，其利用半导体PN结作为发光材料，可以直接将电转换为光。一般具有蓝宝石衬底的正装芯片，由于散热的问题，容易过热使得芯片烧毁，因此相对无法操作在高的电流密度下。现阶段高功率垂直发光二极管是作为高电流操作的主要芯片型态，进一步发展出了垂直导通薄膜芯片发光二极管 (VTF LED)。

在紫外固化领域，垂直导通薄膜芯片发光二极管作为主要的发光光源，其一般操作于高电流以达高输出光功率，具有高可靠性，高热态操作稳定性。目前高功率紫外光源的设计除建立在这样的芯片型态上，对于外延结构设计的要求更高。

发明内容

本发明提供了一种发光二极管结构，其可以满足高电流密度下达到高输出光功率，并且有效降低了正向电压。

本发明的技术方案为：发光二极管，依次包括：N型导通层、发光层和P型导通层，其特征在于：所述N型导通层分布有Al点。

优选地，所述发光层的发光波长为360~420nm。

优选地，所述Al点的密度为1×10⁷ /cm²以上。

优选地，所述Al点的高度为1~10nm。

优选地，所述P型导通层的粗糙度为1nm以下。

在一些实例中，所述发光二极管还可包括位于所述N型导通层和发光层之间的超晶格层和位于所述发光层与P型导通层之间的P型电子阻挡层，所述超晶格层位于，其由周期结构堆叠而成，其中至少一个周期结构包含第一子层、第二子层和第三子层，其中所述第一子层的能隙Eg1、第二子层的能隙Eg2和第三子层的能隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3，且第三子层的能隙Eg3大于所述电子阻挡层的能隙Eg4。

优选地，所述超晶格层的每个周期结构包含第一子层、第二子层和第三子层。所述超晶格层的至少三个周期包括所述第一子层、所述第二子层和所述第三子层。

优选地，所述超晶格层的至少一个周期结构为InGaN/AlGaN/AlN、GaN/AlGaN/AlN或者InGaN/GaN/AlN。

优选地，所述超晶格的周期结构数为3~30。

优选地，所述周期结构为InGaN/AlGaN/AlN，其中第一子层的In组分为0~20%，第二子层的Al组分的取值范围为0~30%。

本发明同时提供了一种发光二极管的制作方法，包括依次形成N型导通层、发光层和P型导通层，其特征在于：形成的N型导通层分布有铝点，其密度为1×10⁷ /cm²以上。

进一步地，通过控制所述N型导通层的生长条件从而在N型导通层形成Al点，具体如下：生长温度为900℃以上，V/III的比率为200以上，TMA/(TMG+TMA)气相比为10%以上。

本发明可以藉由外延生长气氛的控制，在N型传导层稳定形成富铝点的分布，整个外延LED结构长完外延表面仍保持平整，一方面可以有效降低正向电压，另一方面提升了高电流密度下的发光效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1是一种常规发光二极管的外延结构的SIMS成分轮廓分析图。

图2为本发明第一个较佳实施例之发光二极管的结构示意图。

图3为图2所示发光二极管的波长-亮度散点图。

图4是图2所示发光二极管与常规结构的热冷态因子对比图。

图5显示了图1所示发光二极管的一种变形。

图6为本发明第二个较佳实施例的发光二极管的结构示意图。

图7为图6所示发光二极管的N型导通层表面的AFM图。

图8为图6所示发光二极管的外延结构表面的AFM图。

图9显示了图6所示发光二极管的V-I的曲线图。

图10显示了图6所示发光二极管的L-I的曲线图。

具体实施方式

下面便结合附图对本发明若干具体实施例作进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。

应当理解，本发明所使用的术语仅出于描述具体实施方式的目的，而不是旨在限制本发明。如本发明所使用的，单数形式“一”、“一种”和“所述”也旨在包括复数形式，除上下文清楚地表明之外。应进一步理解，当在本发明中使用术语“包含”、"包括"、“含有”时，用于表明陈述的特征、整体、步骤、操作、元件、和/或封装件的存在，而不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、封装件、和/或它们的组合的存在或增加。

除另有定义之外，本发明所使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。应进一步理解，本发明所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本发明中明确如此定义之外。

现有的LED外延结构中，广泛采用P型电子阻挡层 (Electron Blocking Layer，简称EBL) 技术，用以阻挡电子，防止溢流。目前已发展出各种不同型态的电子阻挡层，如带隙渐变式 (Al Slope EBL)、带隙堆叠超晶格式(AlGaN/GaN、AlN/AlGaN、AlGaN/InGaN等超晶格结构)、极化电场调整式 (AlInN EBL) 等。然而，电子阻挡层的一个大原则，通常为在整个外延结构除底层外 (深紫外 LED 中 AlN bulk底层带隙为整个外延结构中最高)，在最靠近活性层(active layer,MQW) 后的最高带隙层，作用为防止电流溢出MQW，提高辐射复合率 (Radiative-Recombination rate) 。外延技术发展至今，P型电子阻挡层在外延结构设计中较难满足高亮度的需求。

下面部分实施例公开了一种具有高带隙 (Energy Bandgap, 简称Eg) 超晶格的发光二极管，在发光层与N型传导之间加入一超晶格层，此超晶格层之带隙高于P型电子阻挡层的带隙，为整个外延结构中最高，其由周期结构堆叠而成，其中至少一个周期结构包含第一子层、第二子层和第三子层，其中所述第一子层的能隙Eg1、第二子层的能隙Eg2和第三子层的能隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3，该种发光二极管可以满足高电流密度下达到高输出光功率，并且具有高可靠性，高热态操作稳定性。

由一般外延结构的SIMS成分轮廓分析可得到Al/In/Ga等三族元素相对强度，由Al/In 两个元素的强度高低能够得知带隙高低，Al多则带隙高，In多则带隙低。分析现有的紫外发光二极管的SIMS图，现有外延结构中，P型电子阻挡层的Al 强度为整个LED外延结构最高，也就是意味P型电子阻挡层的带隙为整个LED外延结构，如图1所示。而在现有的LED外延结构中，位于n型导通层与发光层之间的超晶格层（SL）的通常为InGaN/AlGaN，Al强度远低于P型电阻挡层的Al，并且还含有In元素，形成的带隙将低于电子阻挡层的能隙。

图2显示了本发明第一个较佳实施例的发光二极管结构示意图，其结构由下至上依次包括：N型导通层110、超晶格层120、发光层130、P型电子阻挡层140和P型导通层150。该发光二极管可以包括生长衬底或支撑衬底。

其中N型导通层110和P型导通层150由氮化物基半导体层制成，其具有比发光层130更宽的带隙，在具体的实施例中，可以AlGaN层或GaN。

发光层130优选采用由阱层和垒层构成的多量子阱结构，其一般采用氮化物基半导体层制成，具体材料取决于发光波长，例如在570nm到210nm范围内。在一个实施例中，阱层可以由氮化物基半导体形成，发射波长范围为420nm到360nm的紫外光，垒层包含Al并且可以由AlInGaN或AlGaN形成，其Al组份优选为15%以下，例如采用InGaN/AlGaN构成多量子阱结构。

P型电子阻挡层140位于发光层130与P型导通层150之间，其能隙大于P型导通层150的能隙，由含有Al的氮化物基半导体层制成，可以是单层或多层结构，例如超晶格结构。

超晶格层120为周期结构堆叠而成，每个周期结构一般至少包含两个不同材料的薄层结构，其材料为氮化物基半导体层，较佳的为非故意掺杂，其中至少有一个周期结构A包含第一子层、第二子层和第三子层，其中述第一子层的能隙Eg1、第二子层的能隙Eg2和第三子层的能隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3，且第三子层的能隙Eg3大于所述电子阻挡层的能隙Eg4，例如第一子层121可以采用In_xGa_1-xN（其中In组分X为0~20%），第二子层122可以采用Al_YGa_1-YN（其中Al组分Y为0~30%），第三子层123优选为AlN，周期结构A可以采用InGaN/AlGaN/AlN、GaN/AlGaN/AlN或者InGaN/GaN/AlN。该具有高能隙的周期结构A（高于P型电子阻挡层的能隙）可以调节辐射复合区域（即电子减速层及空穴溢流防止层的双重功能），从而达到提高发光层的复合效率进而提升亮度，并且可以防止高温热态空穴或电子获得额外能量所形成的泄漏，而改善热态操作的亮度稳定性，其热冷态因子(Hot/cold factor, H/C)值可以达到70%以上。

在一个具体的实施例中，P型电子阻挡层140采用AlGaN材料层，超晶格层全部采用InGaN/AlGaN/AlN，如图2所示，较佳的，其包括3~30个周期，更佳的为15~25个周期，整个超晶格层120的总厚度为100~3000埃，每个子层的厚度优选100埃以下，例如20埃~30埃。

在该实施例中，发光二极管可以具有垂直型结构，但不限于此。可变换地，发光二极管可以具有横向型结构。在垂直型结构中，紫外发光二极管可以包括支撑衬底用来支撑LED半导体外延层110~150，其较适用于高电流密度下的应用，例如电流密度为1A/mm²以上。另一方面，在横向型结构中，紫外发光二极管会包括生长衬底以生长半导体外延层110~150。

下面分别制作两种发光波长为380~390nm之间的紫外LED垂直芯片样品，其中样品一的外延结构采用图2所示的结构，超晶格层120具体采用InGaN/AlGaN/AlN三层交替堆叠形成的高能隙结构，样品二采用的外延结构的超晶格层采用InGaN/AlGaN两层交替堆叠形成的常规结构，其他各子层均与样品一的结构一样。

图3显示了两种样品的波长-亮度散点图，其中红色实心点表示样品一，黑色空心点表示样品二，从图中可看出，在波段为382~386nm之间，样品一的亮度明显高于样品一的亮度，即样品一的亮度大幅提升。

图4显示了两种样品的热冷态因子对比图，从图中可以看出，样品一的H/C由样品二的~64%提升至~74%，有效改善了热态操作的亮度稳定性。

将上述两种样品在700mA、结温125℃条件进行老化实验，测试下面各项参数。从下面表一可以看出，样品一（即图2所示的结构）在维持原有的光衰特性、正向电压的前提下，其老化电流明显示改善。

表一

作为第一个较佳实施例的一个变形，超晶格层120中的各个周期结构中Al组分是渐变的，每次的变化梯度为1%~5%。例如每2~5个周期，Al组分变化一次，其次的变化梯度为3%。较佳的，靠近发光层的一侧，Al组分相对较低。

在前面的实施例中，发光二极管的超晶格层120的周期结构主要由第一种周期结构A（包括第一子层121、第二子层122和第三子层123）构成。在另一些实施例中，超晶格层120也可以为组合式结构，例如至少由第一种周期结构A和第二种周期结构B构成，如图5所示，其中第一种周期结构A的各子层可以参考实施例一的结构进行设置，第二种周期结构B只需要由第四子层124和第五子层125构成，其中第四、第五子层的材料可以选自第一至第三子层的其中两种，也可以不相同。

在一个具体的实施例中，第一种周期结构A邻近发光层130设置，第二种周期结构B邻近N型导通层110设置，第四子层124采用与第一子层121相同的材料层，第五子层125采用与第二子层122相同的材料，例如第一周期结构A为InGaN/AlGaN/AlN，其周期数为3以上，例如3~15周期，第二周期结构B采用InGaN/AlGaN，其周期数为5个以上，例如5~20。

在另一个具体的实施例中，第一种周期结构A邻近N型导通层110设置，第二种周期结构B邻近发光层130设置，第四子层124采用与第一子层121相同的材料层，第五子层125采用与第二子层122相同的材料，例如第一周期结构A为InGaN/AlGaN/AlN，其周期数为3以上，例如3~15周期，第二周期结构B采用InGaN/AlGaN，其周期数为5个以上，例如5~20。在本实施例中，由于将具有高能隙的第一种周期结构设置在远离发光层一侧，因此各个子层的厚度可以相对厚一点，例如可以取50埃以上，对应的周期数可以减少。

在另一个具体的实施例中，还可以设置第三种周期结构C，第一种周期结构A位于超晶格层120的中间位置，其周期数优选为3~10，第二种周期结构B邻近N型导通层110，优选由第一子层和第二子层堆叠而成，其周期数优选为1~10，第三种周期结构C邻近发光层130，优选由第一子层、第二子层中其的任选一层与第三子层堆叠而成，其周期数优选为1~5。

现有的LED外延结构的N型传导层中，主要是藉由提高Si掺杂浓度 (一般会在1E19/cm3)，或者以非掺/掺交叠之超晶格形式 (Undoped/doped Superlattice Layer，简称SL)，或者In/Si共掺 (Co-Doping) 等来达到降低电压的目的。然而，过高的Si掺杂浓度会导致过大的张应力，容易出现裂纹，或让表面产生粗化，致使外延表面恶化。

图6显示了第二个较佳实施例的发光二极管结构示意图，其结构由下至上依次包括：N型导通层210、发光层230和P型导通层250，图6同时显示了N型导通层表面的AFM图，从图中可看出N型导通层中分布有富Al点211（Al-rich dots ），该Al点211的高度优选为10nm以下，例如可以为2~6nm之间，密度优选为1×10⁷ /cm²以上，例如可以为5×10⁷ /cm²~1×10⁹/cm²之间。该发光二极管可以包括生长衬底200。在生长衬底200与N型导通层之间可以设置AlN缓冲层、U型GaN层等；在N型导通层210与发光层230之间可以设置超晶格层，其可以是InGaN/AlGaN、GaN/AlGaN、AlGaN/AlN、InGaN/AlGaN/AlN或者其组合；在发光层230与P型导通层250之间可以设置P型AlGaN电子阻挡层。

在本实施例中，可以通过控制N型导通层的生长条件形成富Al点的分布，具体如下：通入H₂或者同时通入H₂和N₂，控制生长温度在900℃以上，优选为900~1200℃，生长时间在60秒以上，反应室压强在100 Torr以上，优选为100~500Torr，V/III (NH3/(TMG+TMA))的比率为200以上，优选为200~5000，TMA/(TMG+TMA)气相比为10%以上，优选为10%~30%，生长一厚度为1μm以上的N型导通层，其材料可以是GaN或AlGaN ，优先掺杂浓度为1E19以上。对于选用N-GaN作为N型导通层的实施例中，根据Al点的密度间隔性通入Al源，每次通入时间优选为60秒以上，此时即会出现Al点；对于选用N-AlGaN作为N型导通层的实施例中，基本上整个N型导通层中都会分布有Al点。

图7针对采用上述生长条件形成的N型导通层的表面AFM图测试Al点的起伏高度，其中上图为N型导通层的表面AFM图，下图显示了A-B两点间（即Al-Dot）的起伏高度，从图中可看出，Al点211的高度约为2~3nm。

发光层230优选采用由阱层和垒层构成的多量子阱结构，其一般采用氮化物基半导体层制成，具体材料取决于发光波长，例如在570nm到210nm范围内。在一个实施例中，阱层可以由氮化物基半导体形成，发射波长范围为420nm到360nm的紫外光，垒层包含Al并且可以由AlInGaN或AlGaN形成，其Al组份优选为15%以下，例如采用InGaN/AlGaN构成多量子阱结构。P型导通层250由氮化物基半导体层制成，其具有比发光层230更宽的带隙，在具体的实施例中，可以AlGaN层或GaN。

图8显示了图6所示发光二极管的外延结构的表面AFM图，其表面粗糙在1nm以下，通过软件测试，具体为~0.72nm，整个外延LED结构外延表面仍保持平整。

下面分别制作两种发光波长为380~390nm之间的紫外LED垂直芯片样品，其中样品三的外延结构在N型导电层中形成富Al点（Al-Rich dot，如图6所示），样品四采用常规结构，即N型导通层中无富Al点分布，其他各子层均与样品三的结构一样。

图9显示了样品三和样品四的V-I的曲线图。从图中可以看出，在VF方面，与无富铝点分布的LED 器件相比，具有富铝点分布的LED器件表现出更低的电压，且随着电流增加，两者之间的差异更加明显。

图10显示了样品三和样品四的L-I的曲线图。从图中可以看出，随着电流的增加，与无富铝点分布的LED 器件相对，具有富铝点分布的LED器件展现出更好的亮度。

在本实施例中，通过在N型导通层中形成富Al点分布，从而达到降低LED器件的正向电压的同时，改善了器件的效率。

作为本发明的第三个较佳实施例，可以同时结合第一个较佳实施例和第二个较佳实施例，即在N型导通层中形成富Al点分布，同时在N型导通层与发光层之间形成具有高能隙的超晶格层，该具有高能隙的超晶格层结构可以参照前面第一个较佳实施例，如此可以从多方面对LED器件的性能进行提升，进而达到更佳的效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.发光二极管，依次包括：N型导通层、发光层和P型导通层，其特征在于：所述N型导通层分布有富Al点，其通过控制所述N型导通层的生长条件形成，具体如下：生长温度为900℃以上，V/III的比率为200以上，TMA/(TMG+TMA)气相比为10%以上。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述发光层的发光波长为360~420nm。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述富Al点的密度为1×10⁷ /cm²以上。

4.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述富Al点的高度为1~10nm。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述P型导通层的表面粗糙度为1nm以下。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：包括位于所述N型导通层和发光层之间的超晶格层和位于所述发光层与P型导通层之间的P型电子阻挡层，所述超晶格层由周期结构堆叠而成，其中至少一个周期结构包含第一子层、第二子层和第三子层，其中所述第一子层的能隙Eg1、第二子层的能隙Eg2和第三子层的能隙Eg3的关系为Eg1<Eg2<Eg3，且第三子层的能隙Eg3大于所述电子阻挡层的能隙Eg4。

7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述超晶格层的每个周期结构包含第一子层、第二子层和第三子层。

8.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述超晶格层的至少三个周期包括所述第一子层、所述第二子层和所述第三子层。

9.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述超晶格层的至少一个周期结构为InGaN/AlGaN/AlN、GaN/AlGaN/AlN或者InGaN/GaN/AlN。

10.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述超晶格的周期结构数为3~30。

11.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于：所述周期结构为InGaN/AlGaN/AlN，其中第一子层的In组分为0~20%，第二子层的Al组分的取值范围为0~30%。

12.发光二极管的制作方法，包括依次形成N型导通层、发光层和P型导通层，其特征在于：通过控制所述N型导通层的生长条件从而在N型导通层形成富Al点，具体如下：生长温度为900℃以上，V/III比率为200以上，TMA/(TMG+TMA)气相比为10%以上，所述富Al点的密度为1×10⁷ /cm²以上。