CN110993757B - 一种发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种发光二极管及其制备方法，涉及发光二极管领域。该发光二极管包括逐层连接的衬底、缓冲层、n型半导体层、Al_xGa_1‑xN/Al_yGa_1‑yN发光有源区、最后一个AlGaN量子垒层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层以及接触层，且0.01≤x<y≤1；发光有源区中的第一个AlGaN量子垒层与n型半导体层连接，发光有源区中的最后一个量子阱层与最后一个AlGaN量子垒层俩连接，且n型半导体层中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值。本申请提供的发光二极管及其制备方法具有能够提升发光有源区内的复合效率的优点。

Description

一种发光二极管及其制备方法

技术领域

本申请涉及发光二极管领域，具体而言，涉及一种发光二极管及其制备方法。

背景技术

近年来，AlGaN基紫外LED(Light Emitting Diode，发光二极管)具有环保、无汞、杀菌，高调制频率等优点，在紫外固化、空气与水净化、生物医疗，高密度储存，安全与保密通讯等领域具有重要商业应用价值。

然而，相对于较成熟的蓝光LED，紫外LED依旧表现出较低的辐射复合效率及出光效率。限制紫外光电器件较高量子效率的输出主要是因为在有源区内较低的空穴注入效率以及空穴、电子泄露的问题，导致了量子阱内较低的载流子浓度及较低的辐射复合效率。

综上，现有的紫外发光二极管存在载流子注入效率低，空穴、电子泄露较为严重，导致复合效率低的问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种发光二极管及其制备方法，以解决现有技术中空穴、电子泄露较为严重，发光有源区内复合效率低的问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种发光二极管，所述发光二极管包括逐层连接的衬底、缓冲层、n型半导体层、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区、最后一个AlGaN量子垒层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层以及接触层，且0.01≤x<y≤1；

其中，所述Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区包括多个量子阱层与多个AlGaN量子垒层，所述多个量子阱层与所述多个AlGaN量子垒层交替设置，以使所述发光有源区中的第一个AlGaN量子垒层与所述n型半导体层连接，所述发光有源区中的最后一个量子阱层与所述最后一个AlGaN量子垒层俩连接，且所述n型半导体层中最低的铝组分数值大于所述第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值。

进一步地，所述n型半导体层中掺杂有Si。

进一步地，所述n型半导体层的铝组分数值在生长方向上呈线性渐变或非线性渐变。

进一步地，所述n型半导体层中的铝组分数值在接触所述缓冲层时最高，且沿着生长方向上铝组分数值越来越低，直到接触到所述第一个AlGaN量子垒层时降到最低。

进一步地，所述n型半导体层中的铝组分数值在接触所述缓冲层时最低，且沿着生长方向上铝组分数值越来越高，直到接触到所述第一个AlGaN量子垒层时升到最高。

进一步地，所述n型半导体层为n型Al_aGa_1-aN至Al_bGa_1-bN线性渐变层；其中，0.01≤y<a≤b≤1。

进一步地，所述n型半导体层中的铝组分数值恒定不变。

进一步地，所述Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区包括N个量子阱层与N个AlGaN量子垒层，其中，2≤N≤20；

其中，所述N个量子阱层与N个AlGaN量子垒层交替设置；所述N个量子阱层与所述N个AlGaN量子垒层中铝组分数值恒定不变。

进一步地，所述最后一个AlGaN量子垒层为铝组分渐变层。

另一方面，本申请实施例还提供了一种发光二极管制备方法，所述方法用于制备上述的发光二极管，所述方法包括：

沿一衬底的表面依次生长缓冲层、n型半导体层、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区、最后一个AlGaN量子垒层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层以及接触层，其中，0.01≤x<y≤1；

其中，生长所述n型半导体层的步骤包括：

在反应腔室中，将温度调节至目标温度，并调节Al源和Ga源流量随生长时间逐渐变化，以生长出n型半导体层，其中，所述n型半导体层中最低的铝组分数值大于所述第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值。

相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种发光二极管及其制备方法，发光二极管包括逐层连接的衬底、缓冲层、n型半导体层、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区、最后一个AlGaN量子垒层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层以及接触层，且0.01≤x<y≤1；其中，Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区包括多个量子阱层与多个AlGaN量子垒层，多个量子阱层与多个AlGaN量子垒层交替设置，以使发光有源区中的第一个AlGaN量子垒层与n型半导体层连接，发光有源区中的最后一个量子阱层与最后一个AlGaN量子垒层俩连接，且n型半导体层中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值。由于本申请提供的n型半导体层中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值，因此能够起到调节n型半导体层与第一个AlGaN量子垒层的能带结构，增加空穴泄露的势垒高度，进而能有效地增加空穴限制效果，发光有源区中的空穴不易泄露，因此能够提升发光有源区内的复合效率。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的发光二极管的示意图。

图2为本申请实施例提供的n型半导体层的铝组分沿生长方向上的第一种变化示意图。

图3为本申请实施例提供的n型半导体层的铝组分沿生长方向上的第二种变化示意图。

图4为本申请实施例提供的n型半导体层的铝组分沿生长方向上的第三种变化示意图。

图5为本申请实施例提供的n型半导体层的铝组分沿生长方向上的第四种变化示意图。

图6为本申请实施例提供的n型半导体层的铝组分沿生长方向上的第五种变化示意图。

图7为本申请实施例提供的n型半导体层的铝组分沿生长方向上的第六种变化示意图。

图中：100-发光二极管；110-衬底；120-缓冲层；130-n型半导体层；140-Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区；141-第一个AlGaN量子垒层；142-量子阱层；150-最后一个AlGaN量子垒层；160-p型AlGaN电子阻挡层；170-p型AlGaN层；180-接触层。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

第一实施例

正如背景技术中所述，相对于较成熟的蓝光LED，紫外LED依旧表现出较低的辐射复合效率及出光效率。限制紫外光电器件较高量子效率的输出主要是因为在有源区内较低的空穴注入效率以及空穴、电子泄露的问题，导致了量子阱内较低的载流子浓度及较低的辐射复合效率。

有鉴于此，本申请提供了一种发光二极管，通过优化AlGaN基半导体紫外器件的能带结构，n型半导体层材料中采用渐变的铝组分来调节n型AlGaN与第一个量子垒的能带结构，增加空穴泄露的势垒高度，从而能有效地增加空穴限制效果，发光有源区中的空穴不易泄露，因此能够提升发光有源区内的复合效率。

下面对本申请提供的芯片结构进行示例性说明：

请参阅图1，作为一种可选的实现方式，该发光二极管100结构包括逐层连接的衬底110、缓冲层120、n型半导体层130、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN发光有源区140、最后一个AlGaN量子垒层150、p型AlGaN电子阻挡层160、p型AlGaN层170以及接触层180，且0.01≤x<y≤1。

其中，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN发光有源区140包括多个量子阱层142与多个AlGaN量子垒层，多个量子阱层142与多个AlGaN量子垒层交替设置，以使发光有源区中的第一个AlGaN量子垒层141与n型半导体层130连接，发光有源区中的最后一个量子阱层142与最后一个AlGaN量子垒层150俩连接，且n型半导体层130中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层141中最高的铝组分数值。

可以理解地，由于n型半导体层130中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层141中最高的铝组分数值，使得增加了空穴泄露的势垒高度，从而能有效地增加空穴限制效果。换言之，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN发光有源区140中的空穴不易泄露至n型半导体层130中，进而增大了AlxGa1-xN/AlyGa1-yN发光有源区140中空穴的浓度，能够提升复合效率。

作为一种实现方式，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN发光有源区140包括N个量子阱层142与N个AlGaN量子垒层，其中，2≤N≤20；其中，N个量子阱层142与N个AlGaN量子垒层中的铝组分均恒定不变，N个量子阱层142与N个AlGaN量子垒层交替设置。

并且，本申请提供的衬底110的材料可选择蓝宝石、SiC、Si、GaN、以及AlN等，本申请对此并不做任何限定。同时，本申请提供的缓冲层为缓冲层，n型半导体层130为n型AlGaN层。当然地，在其它的一些实施例中，也可以采用其它的材料，本申请对此并不做任何限定。

并且，作为一种可选的实现方式，n型半导体层130中掺杂有Si。通过掺杂Si的形式，能够实现更多电子的注入。换言之，本申请提供的n型半导体层130不仅能够起到阻挡空穴泄露的效果，同时能够起到为AlxGa1-xN/AlyGa1-yN发光有源区140提供更多电子的效果，进而增加了AlxGa1-xN/AlyGa1-yN发光有源区140中电子与空穴的浓度，提高了辐射复合效率，继而提高发光二极管100的发光效率，尤其对高注入下AlGaN基半导体紫外发光器件更为有效。

当然地，在其它的一些实施例中，也可选择不进行掺杂，本申请对此并不做任何限定。

作为本申请一种可选的实现方式，请参阅图2，n型半导体层130中的铝组分数值恒定不变。在此基础上，n型半导体层130中的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层141中的铝组分数值，能够起到增加空穴泄露的势垒高度，从而能有效地增加空穴限制效果。

作为本申请另一种可能的实现方式，n型半导体层130的铝组分数值也可以变化，其中，n型半导体层130的铝组分数值在生长方向上呈线性渐变或非线性渐变。

例如，请参阅图3，n型半导体层130中的铝组分数值在接触缓冲层时最高，且沿着生长方向上铝组分数值越来越低，直到接触到第一个AlGaN量子垒层141时降到最低。

或者，请参阅图4，n型半导体层130中的铝组分数值在接触缓冲层时最低，且沿着生长方向上铝组分数值越来越高，直到接触到第一个AlGaN量子垒层141时升到最高。在此基础上，n型半导体层130为n型AlaGa1-aN至AlbGa1-bN线性渐变层；其中，0.01≤y<a≤b≤1。

当然地，请参阅图5至图7，本申请提供n型半导体层130中的铝组分数值的变化也可以为其它变化，例如，n型半导体层130中的铝组分数值在沿生长方向上先递增后递减，或先递减后递增，或先递增，后递减，再递增，再递减，只需要满足n型半导体层130中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层141中最高的铝组分数值即可，本申请对此并不做任何限定。

并且，作为一种可选的实现方式，最后一个AlGaN量子垒层150也可以为铝组分渐变层。

第二实施例

本申请实施例还提供了一种发光二极管制备方法，该方法用于制备第一实施例所述的发光二极管，该方法包括：

沿一衬底的表面依次生长缓冲层、n型半导体层、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区、最后一个AlGaN量子垒层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层以及接触层，其中，0.01≤x<y≤1；

其中，生长n型半导体层的步骤包括：

在反应腔室中，将温度调节至目标温度，并调节Al源和Ga源流量随生长时间逐渐变化，以生长出n型半导体层，其中，n型半导体层中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值。

其中，当n型半导体层中掺杂有Si时，则生长n型半导体层的步骤包括：

在反应腔室中，将温度调节至目标温度，并调节Al源、Ga源以及Si源的流量随生长时间逐渐变化，以生长出n型半导体层，其中，n型半导体层中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值。

作为一种实现方式，本申请采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)生长n型半导体层，且该目标温度可以为900～1200℃。

综上所述，本申请提供了一种发光二极管及其制备方法，发光二极管包括逐层连接的衬底、缓冲层、n型半导体层、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区、最后一个AlGaN量子垒层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层以及接触层，且0.01≤x<y≤1；其中，Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区包括多个量子阱层与多个AlGaN量子垒层，多个量子阱层与多个AlGaN量子垒层交替设置，以使发光有源区中的第一个AlGaN量子垒层与n型半导体层连接，发光有源区中的最后一个量子阱层与最后一个AlGaN量子垒层俩连接，且n型半导体层中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值。由于本申请提供的n型半导体层中最低的铝组分数值大于第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值，因此能够起到调节n型半导体层与第一个AlGaN量子垒层的能带结构，增加空穴泄露的势垒高度，进而能有效地增加空穴限制效果，发光有源区中的空穴不易泄露，因此能够提升发光有源区内的复合效率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括逐层连接的衬底、缓冲层、n型半导体层、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区、最后一个AlGaN量子垒层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层以及接触层，且0.01≤x<y≤1；

其中，所述Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区包括多个量子阱层与多个AlGaN量子垒层，所述多个量子阱层与所述多个AlGaN量子垒层交替设置，以使所述发光有源区中的第一个AlGaN量子垒层与所述n型半导体层连接，所述发光有源区中的最后一个量子阱层与所述最后一个AlGaN量子垒层连接，且所述n型半导体层中最低的铝组分数值大于所述第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值；

所述n型半导体层的铝组分数值在生长方向上呈线性渐变或非线性渐变。

2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述n型半导体层中掺杂有Si。

3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述n型半导体层中的铝组分数值在接触所述缓冲层时最高，且沿着生长方向上铝组分数值越来越低，直到接触到所述第一个AlGaN量子垒层时降到最低。

4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述n型半导体层中的铝组分数值在接触所述缓冲层时最低，且沿着生长方向上铝组分数值越来越高，直到接触到所述第一个AlGaN量子垒层时升到最高。

5.如权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述n型半导体层为n型Al_aGa_1-aN至Al_bGa_1-bN线性渐变层；其中，0.01≤y<a≤b≤1。

6.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区包括N个量子阱层与N个AlGaN量子垒层，其中，2≤N≤20；

其中，所述N个量子阱层与N个AlGaN量子垒层交替设置；所述N个量子阱层与所述N个AlGaN量子垒层中铝组分数值恒定不变。

7.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述最后一个AlGaN量子垒层为铝组分渐变层。

8.一种发光二极管制备方法，其特征在于，所述方法用于制备如权利要求1至7任意一项所述的发光二极管，所述方法包括：

沿一衬底的表面依次生长缓冲层、n型半导体层、Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN发光有源区、最后一个AlGaN量子垒层、p型AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN层以及接触层，其中，0.01≤x<y≤1；

其中，生长所述n型半导体层的步骤包括：

在反应腔室中，将温度调节至目标温度，并调节Al源和Ga源流量随生长时间逐渐变化，以生长出n型半导体层，其中，所述n型半导体层中最低的铝组分数值大于所述第一个AlGaN量子垒层中最高的铝组分数值。