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CN113161456A - 氮化物发光二极管及其制作方法 - Google Patents

氮化物发光二极管及其制作方法 Download PDF

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CN113161456A CN202110489422.XA CN202110489422A CN113161456A CN 113161456 A CN113161456 A CN 113161456A CN 202110489422 A CN202110489422 A CN 202110489422A CN 113161456 A CN113161456 A CN 113161456A
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Abstract

本发明公开一种氮化物发光二极管及其制作方法，所述氮化物发光二极管，包含衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层，低温三维氮化物层，u型氮化物层，n型氮化物层、发光层、p型氮化物层，其特征在于：所述低温三维氮化物层和u型氮化物层之间设置有低温p型二维氮化物层，所述低温p型二维氮化物层的掺杂浓度为1E17~1E20。本发明通过在低温三维氮化物层和u型氮化物层之间设置有低温p型二维氮化物层，解决因底层高温生长引起的翘曲大而导致的发光亮度不均匀的问题，提升氮化物发光二极管的发光均匀性，提升氮化物发光二极管的发光效率。

Description

氮化物发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体涉及一种发光二极管及其制作方法。
背景技术
发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是一种能发光的半导体电子器件。因为具有体积小、能耗低、寿命长、驱动电压低等优点，广泛用于指示灯，背光源, 显示屏等领域。追求高亮度、高性能已成为一种趋势，为满足日益增长的需求，LED芯片的发光效率的提升迫在眉睫。LED照明取代传统照明已成明显态势，接下来数年间，LED照明将迈入高速成长期。此外, mini LED和 micro LED也是近年来重要发展的项目, 而LED的关键在于蓝绿光LED外延芯片技术之提升，技术的突破发展将带动整体的应用及需求提升。
氮化镓材料需要高温生长环境下才能有较高的生长质量, 而高温生长将导致晶片的翘曲度变大，导致外延长完的氮化镓波长和亮度分布不均，从而影响氮化物发光二极管的发光亮度。目前主要针对外延生长的石墨盘进行设计改善， 或利用生长不同的异质材料变化来提升氮化镓的分布均匀性，开发出新的提升氮化镓的分布均匀性的技术成为一项重要的课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种氮化物发光二极管，所述氮化物发光二极管，包含衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层，低温三维氮化物层，u型氮化物层，n型氮化物层、发光层和p型氮化物层，其特征在于：所述低温三维氮化物层和u型氮化物层之间设置有低温p型二维氮化物层，所述低温p型二维氮化物层的p型掺杂浓度为1E17~1E20。
优选地，所述低温p型二维氮化物层的p型掺杂浓度为1E17~1E19。
优选地，所述低温p型二维氮化物层的厚度为1~3μm。
优选地，所述低温p型二维氮化物层为单层或者多层结构。
优选地，所述低温p型二维氮化物层为uGaN/pGaN超晶格结构。
优选地，所述超晶格结构的对数为2~50。
优选地，所述u型氮化物层的厚度为0.5~1μm。
本发明还公开氮化物发光二极管的制备方法，其包含以下步骤：
1、提供一衬底；
2、于所述衬底上生长缓冲层，低温三维氮化物层，u型氮化物层，n型氮化物层，发光层和p型氮化物层；
其特征在于：还包含以下步骤，在所述低温三维氮化物层和u型氮化物层之间形成低温p型二维氮化物层，所述低温p型二维氮化物层的p型掺杂浓度为1E17~1E20。
优选地，所述低温p型二维氮化物层的生长温度为900~1050℃，生长压力为100~300torr。
本发明通过在低温三维氮化物层和u型氮化物层之间设置有低温p型二维氮化物层，解决因底层高温生长引起的翘曲大而导致的发光亮度不均匀的问题，提升氮化物发光二极管的发光均匀性，提升氮化物发光二极管的发光效率。
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。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
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为本发明实施例的发光二极管的结构示意图。
图2为本发明实施例的另一发光二极管的结构示意图。
图3为本发明实施例的发光二极管的发光层的结构示意图。
图中元件标号说明：
1：衬底；2：缓冲层；3：低温三维氮化物层；4：低温p型二维氮化物层；5：u型氮化物层；6：n型氮化物层；7：应力缓冲层；8：发光层；81：阱层；82：垒层；9：电子阻挡层；10：p型氮化物层。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
请参看图1，本发明提出一种氮化物发光二极管，所述氮化物发光二极管包含：衬底1，依次生长于衬底1上的缓冲层2，低温三维氮化物层3，低温p型二维氮化物层4，u型氮化物层5，n型氮化物6，应力释放层7，发光层8，电子阻挡层9，P型氮化物层10。
衬底1可由导电材料或者绝缘材料制成，其制作材料可以选自蓝宝石、氮化铝、氮化镓、硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓以及晶格常数接近于氮化物半导体材料的单晶氧化物中的任意之一。为了提高氮化物发光二极管的出光效率，可以对其进行图案化处理，在其表面形成一系列凹凸结构。
为了减小衬底1和n型氮化物层6之间的晶格失配，在衬底1和n型氮化物层6之间生长缓冲层2，因此缓冲层2的晶格常数介于衬底1和n型氮化物层6之间，可以由包括AlxInyGa1-x-yN的材料制成，其中0≤x≤1，0≤y≤1，具体可以为AlN层、GaN 层、AlGaN层、AlInGaN层、InGaN层等。缓冲层2可通过MOCVD法或者PVD法形成。在一些可选的实施例中，所述缓冲层的厚度为10~50nm。
在所述缓冲层2上形成低温三维氮化物层3，通过控制生长温度和生长压力，氮化物的生长模式为三维的，所述低温三维氮化物层3为非掺杂的，优选所述低温三维氮化物层3的厚度为1~3μm。
现有技术中，LED外延结构使用高温成长氮化镓来形成氮化镓二维层，高温生长将导致晶片翘曲度变大，导致成长的氮化镓的波长和亮度分布不均，从而致使亮度不佳。为了解决因底层高温生长引起的翘曲大而导致的发光亮度不均匀的问题，本发明提出在所述低温三维氮化物层3之上形成低温p型二维氮化物层4，在低温环境下可藉由掺杂镁来使镁原子填补缺陷部分,使氮化镓趋於横向生长为二维成长，可以减小晶片的翘曲度，提升氮化镓的波长和亮度的分布均匀性，从而提升氮化物发光二极管的发光亮度。
所述低温p型二维氮化物层4的p型掺杂浓度为1E17~1E20，在一些实施例中，优选所述低温p型二维氮化物层4的p型掺杂浓度为1E17~1E19。所述低温p型二维氮化物层4的p型掺杂浓度过低，无法提供足够的镁原子填补缺陷部分,使氮化镓趋於横向生长为二维成长；所述低温p型二维氮化物层4的p型掺杂浓度过高，降低所述低温p型二维氮化物层的晶体质量，影响后续n型氮化物层和发光层的晶体质量，从而影响氮化物发光二极管的发光亮度。在一些实施例中，所述P型二维氮化物层4的掺杂为固定掺杂；在一些可选的实施例中，所述P型二维氮化物层4的掺杂为渐变掺杂。
在一些可选的实施例中，所述低温p型二维氮化物层4为单层结构，其掺杂浓度为固定掺杂或者渐变掺杂，如图1所示；在一些可选的实施例中，所述低温p型二维氮化物层4为多层结构，优选所述低温p型二维氮化物层4为uGaN/pGaN超晶格结构，所述u型GaN/p型GaN超晶格结构的对数优选为2~50对，如图2所示。
所述低温p型二维氮化物层4的厚度为1~3μm。所述低温p型二维氮化物层4的厚度过薄，无法填平所述低温三维氮化物层3，同时二维氮化物层的厚度不足也将导致驱动电压上升，导致使用上更为耗电；所述低温p型二维氮化物层4的厚度过厚，将延长外延生长时间，提升外延的生长成本。
所述u型氮化物层5形成于所述低温p型二维氮化物层4之上，所述u型氮化物层5的厚度为0.5~1μm，提升晶体质量。
n型氮化物层6位于缓冲层2和发光层8之间，提供电子。n型氮化物层通过掺杂n型杂质提供电子，n型杂质例如Si，Ge，Sn，Se和Te。本实施例中，优选n型杂质为Si。n型氮化物层6的厚度为1~4μm，掺杂浓度在1×1017~5×1019/cm3之间，以提供辐射复合的电子。n型氮化物层6可为单层结构或者超晶格结构。
n型氮化物层6和发光层8之间可以生长应力释放层7，以释放n型氮化物层6生长过程中产生的应力，还可以调节V型坑的大小，提高氮化物发光二极管的发光亮度。应力释放层7可以是超晶格结构，例如由InGaN和GaN层交替层叠形成的超晶格结构，也可以是单层结构。
发光层8设置在n型氮化物层3和p型氮化物层10之间。发光层8为提供电子和空穴复合提供光辐射的区域，根据发光波长的不同可选择不同的材料，发光层8可以是单量子阱或多量子阱的周期性结构。发光层8包含阱层81和垒层82，其中垒层82具有比阱层81更大的带隙。通过调整发光层8中半导体材料的组成比，以期望辐射出不同波长的光。如图3所示，发光层8由阱层81和垒层82交替层叠形成。在一些实施例中，发光层8具有5~15个周期的InGaN/GaN多量子阱，每个周期内的InGaN的厚度为2~4nm，GaN厚度为3~15nm。在一些实施例中，量子阱的垒层可掺杂少量的Al，由AlGaN组成。
为了防止电子溢流，在发光层8之后设置有电子阻挡层9，所述电子阻挡层9可由AlcIndGa1-c-dN材料制成，其中c＞0，d≥0，c+d≤1。例如电子阻挡层可为AlN，AlGaN或者AlInGaN等一种或多种材料组合而成。电子阻挡层9的能隙高度高于发光层中垒层81的能隙宽度。在一些可选的实施例中，所述电子阻挡层9的能隙高度高于GaN的能隙宽度。在一些可选的实施例中，所述电子阻挡层9的Al组分的含量高于发光层8中垒层81的Al组分的含量。为了提升电子阻挡层9降低电子溢流的情况发生，电子阻挡层9的厚度优选为1nm以上；电子阻挡层9的厚度过厚会影响空穴的注入效率，故电子阻挡层6的厚度设置在50nm以下。
p型氮化物层10位于所述电子阻挡层9之上，所述p型氮化物层10通过掺杂p型杂质提供空穴，p型杂质可以为Mg，Zn，Ca，Sr和Ba。本实施例，优选p型杂质为Mg。所述p型氮化物层10还包含p型欧姆接触层（图中未示出），通过高掺杂，例如掺杂浓度高于1×1020Atoms/cm3，与氮化物发光二极管的p型电极形成欧姆接触。
本发明实施例通过在低温三维氮化物层和u型氮化物层之间设置有低温p型二维氮化物层，解决因底层高温生长引起的翘曲大而导致的发光亮度不均匀的问题，提升氮化物发光二极管的发光均匀性，提升氮化物发光二极管的发光效率。
实施例2
下面对前述实施例的半导体发光元件的制作工艺进行详细的说明。
首先，提供衬底1，本实施例中优选所述衬底1为蓝宝石衬底；为了减小衬底1和n型氮化物层6之间的晶格失配，在衬底1上形成缓冲层2，本实施例中，优选所述缓冲层2的厚度为10~50nm，生长温度为500~800°C。
接着，在所述缓冲层2上形成低温三维氮化物层3，优选所述低温三维氮化物层3的生长温度为900℃-1050℃，生长压力为100～300torr，厚度为1~3μm。
然后，在所述低温三维氮化物层3上形成低温p型二维氮化物层4，优选所述低温p型二维氮化物层4的生长温度为900℃-1050℃，生长压力为100～300torr，厚度为1~3μm。所述低温p型二维氮化物层4的p型浓度为为1E17~1E20，在一些实施例中，优选所述低温p型二维氮化物层4的p型掺杂浓度为1E17~1E19。
在一些可选的实施例中，所述低温p型二维氮化物层4为单层结构，其掺杂浓度为固定掺杂或者渐变掺杂，如图1所示；在一些可选的实施例中，所述低温p型二维氮化物层4为多层结构，优选所述低温p型二维氮化物层4为uGaN/pGaN超晶格结构，所述u型GaN/p型GaN超晶格结构的对数优选为2~50对，如图2所示。
然后，在所述低温p型二维氮化物层4上形成u型氮化物层5，所述u型氮化物层5的厚度为0.5~1μm。
然后，在所述u型氮化物层5上形成n型氮化物层6，所述n型氮化物层6的生长温度为1050℃-1150℃，生长压力为100～300torr，厚度为1~4μm，掺杂浓度在1×1017~5×1019/cm3之间。所述n型氮化物层6可为单层或者超晶格结构。
接着，在所述n形氮化物层6上形成应力释放层7，在所述实施例中，优选所述应力释放层7为超晶格结构，例如由InGaN和GaN层交替层叠形成的超晶格结构，在一些实施例中，所述应力释放层7也可以为单层结构。
接着，在所述应力释放层7上形成发光层8。本实施例中，优选所述发光层8为多量子阱的周期性结构，所述发光层8具有5~15个周期的InGaN/GaN多量子阱，每个周期内的InGaN的厚度为2~4nm，GaN厚度为3~15nm。在一些实施例中，量子阱的垒层可掺杂少量的Al，由AlGaN组成。
接着，在所述发光层8上形成电子阻挡层9，所述电子阻挡层9可抑制电子的溢流。在实施例中，优选所述电子阻挡层9为AlN，AlGaN或者AlInGaN等一种或多种材料组合而成。所述电子阻挡层9的厚度优选为1nm以上，50nm以下。
最后，在所述电子阻挡层9之上形成p型氮化物层10，本实施例中，优选所述p型氮化物层掺杂Mg，提供空穴。所述p型氮化物层10还包含p型欧姆接触层（图中未示出），通过高掺杂，例如掺杂浓度高于1×1020Atoms/cm3，与p型电极形成欧姆接触。
本发明实施例通过在低温三维氮化物层和u型氮化物层之间设置有低温p型二维氮化物层，解决因底层高温生长引起的翘曲大而导致的发光亮度不均匀的问题，提升氮化物发光二极管的发光均匀性，提升氮化物发光二极管的发光效率。
需要说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非用于限定本发明，本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修饰和变动，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应视权利要求书范围限定。

Claims (10)

1.氮化物发光二极管，包含衬底，以及依次位于衬底上的缓冲层，低温三维氮化物层，u型氮化物层，n型氮化物层、发光层和p型氮化物层，其特征在于：所述低温三维层和u型氮化物层之间设置有低温p型二维氮化物层，所述低温p型二维氮化物层的p型掺杂浓度为1E17~1E20。
2.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述低温p型二维氮化物层的p型掺杂浓度为1E17~1E19。
3.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述低温p型二维氮化物层的厚度为1~3μm。
4.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述低温p型二维氮化物层为单层或者多层结构。
5.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述低温p型二维氮化物层为uGaN/pGaN超晶格结构。
6.根据权利要求5所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述超晶格结构的对数为2~50。
7.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述低温p型二维氮化物层的p型掺杂为固定掺杂或者渐变掺杂方式。
8.根据权利要求1所述的氮化物发光二极管，其特征在于：所述u型氮化物层的厚度为0.5~1μm。
9.氮化物发光二极管的制备方法，其包含以下步骤：
1、提供一衬底；
2、于所述衬底上生长缓冲层，低温三维氮化物层，u型氮化物层，n型氮化物层，发光层和p型氮化物层；
其特征在于：还包含以下步骤，在所述低温三维氮化物层和u型氮化物层之间形成低温p型二维氮化物层，所述低温p型二维氮化物层的p型掺杂浓度为1E17~1E20。
10.根据权利要求9所述的氮化物发光二极管的制备方法，其特征在于：所述低温p型二维层的生长温度为900~1050℃，生长压力为100~300torr。
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