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CN116420238A - Led器件、led结构及其制备方法 - Google Patents

Led器件、led结构及其制备方法 Download PDF

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CN116420238A CN202080106669.2A CN202080106669A CN116420238A CN 116420238 A CN116420238 A CN 116420238A CN 202080106669 A CN202080106669 A CN 202080106669A CN 116420238 A CN116420238 A CN 116420238A
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Abstract

一种LED器件、LED结构及LED结构的制备方法。该LED结构的制备方法包括：在一衬底(1)上生长第一导电类型半导体层(3)；在第一导电类型半导体层(3)上生长有源层(4)，有源层(4)包括层叠设置的势阱层(401)、插入层(402)以及势垒层(403)，插入层(402)包括层叠设置的第一插入层(4021)和第二插入层(4022)，第一插入层(4021)与势阱层(401)之间产生量子限制斯塔克效应；势阱层(401)、第一插入层(4021)以及势垒层(403)的材料均为Ⅲ‑Ⅴ族半导体材料，第二插入层(4022)的材料包含Si‑N键，用于修复第一插入层(4021)的V型缺陷；在有源层(4)上生长第二导电类型半导体层(5)，第一导电类型半导体层(3)与第二导电类型半导体层(5)的导电类型相反。本公开能够防止发光二极管(LED)的光电性能降低。

Description

LED器件、LED结构及其制备方法 技术领域
本公开涉及半导体技术领域，尤其涉及一种LED器件、LED结构及LED结构的制备方法。
背景技术
近年来，发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)作为新一代绿色光源，广泛应用于照明、背光、显示等领域。
目前，发光二极管包括层叠设置的P型半导体层、有源层以及N型半导体层。该N型半导体用于提供电子，该P型半导体用于提供空穴。N型半导体提供的电子与P型半导体提供的空穴能够在有源层中复合，从而产生光。然而，该发光二极管的光电性能容易降低。
发明内容
本公开的目的在于提供一种LED器件、LED结构及LED结构的制备方法，能够防止发光二极管的光电性能降低。
根据本公开的一个方面，提供一种LED结构的制备方法，包括：
在一衬底上生长第一导电类型半导体层；
在所述第一导电类型半导体层上生长有源层，所述有源层包括层叠设置的势阱层、插入层以及势垒层，所述插入层包括层叠设置的第一插入层和第二插入层，所述第一插入层与所述势阱层之间产生量子限制斯塔克效应；所述势阱层、第一插入层以及势垒层的材料均为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，所述第 二插入层的材料包含Si-N键，用于修复所述第一插入层的V型缺陷；
在所述有源层上生长第二导电类型半导体层，所述第一导电类型半导体层与所述第二导电类型半导体层的导电类型相反。
进一步地，所述势阱层的材料为InGaN，所述势垒层的材料为GaN，所述第一插入层的材料为AlGaN或AlInGaN，所述第二插入层的材料选自SiN、Si掺杂的AlGaN、Si掺杂的GaN以及Si掺杂的AlN中的至少一种。
进一步地，所述第二插入层中的Si-N键通过向反应室中通入硅源实现，所述硅源包括硅烷和/或乙硅烷。
进一步地，所述插入层的生长方法包括：
同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长所述第一插入层；
同时向所述反应室中通入Al源、Ga源、Si源、氨气和载气，生长所述第二插入层，所述第二插入层的材料为Si掺杂的AlGaN。
进一步地，所述插入层的生长方法包括：
同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长所述第一插入层；
关闭Al源、Ga源，同时向所述反应室中通入Si源、氨气和载气，生长所述第二插入层，所述第二插入层的材料为SiN。
进一步地，所述插入层的生长方法包括：
同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长所述第一插入层；
关闭Al源，同时向所述反应室中通入Ga源、Si源、氨气和载气，生长所述第二插入层，所述第二插入层的材料为Si掺杂的GaN。
进一步地，所述插入层的生长方法包括：
同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长所述第一插入层；
关闭Ga源，同时向所述反应室中通入Al源、Si源、氨气和载气，生长所述第二插入层，所述第二插入层的材料为Si掺杂的AlN。
进一步地，所述Si源的摩尔速率与所述Ga源的摩尔速率的比值为1/10 7-1/10 5。
进一步地，一个所述第二插入层的生长时间与所述插入层的生长时间的比值为1/100-1/5。
根据本公开的一个方面，提供一种LED结构，包括：
有源层，包括层叠设置的势阱层、插入层以及势垒层，所述插入层包括层叠设置的第一插入层和第二插入层，所述第一插入层与所述势阱层之间产生量子限制斯塔克效应；所述势阱层、第一插入层以及势垒层的材料均为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，所述第二插入层的材料包含Si-N键，用于修复所述第一插入层的V型缺陷。
进一步地，所述势阱层的材料为InGaN，所述势垒层的材料为GaN，所述第一插入层的材料为AlGaN或AlInGaN，所述第二插入层的材料选自SiN、Si掺杂的AlGaN、Si掺杂的GaN以及Si掺杂的AlN中的至少一种。
进一步地，所述插入层包括多个所述第一插入层和多个所述第二插入层，所述第一插入层和所述第二插入层交替分布。
根据本公开的一个方面，提供一种LED器件，包括上述的LED结构。
本公开的LED器件、LED结构及LED结构的制备方法，有源层包括层叠设置的势阱层、插入层以及势垒层，插入层包括层叠设置的第一插入层和第二插入层，第一插入层与势阱层之间产生量子限制斯塔克效应，第二插入层材料中的Si-N键可以修复由于第一插入层材料与势阱层材料的晶格失配所形成的第一插入层中的V型缺陷，从而能够解决由于第一插入层与势阱层 的晶格失配所导致的发光二极管的光电性能降低的问题，防止发光二极管的光电性能降低。
附图说明
图1是相关技术中发光二极管的示意图；
图2是本公开的实施例一的LED结构的制备方法的流程图；
图3是本公开实施例一的LED结构的示意图；
图4是本公开实施例一的LED结构的另一示意图；
图5是本公开实施例一的LED结构中插入层的示意图；
图6是本公开实施例五的LED结构中插入层的示意图。
附图标记说明：1、衬底；2、缓冲层；3、第一导电类型半导体层；4、有源层；401、势阱层；402、插入层；4021、第一插入层；4022、第二插入层；403、势垒层；5、第二导电类型半导体层。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施方式进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施方式中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置的例子。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本公开。除非另作定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开说明书以及 权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示两个及两个以上。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本公开说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
相关技术中，如图1所示，发光二极管(LED)包括层叠设置的第一导电类型半导体层3、有源层4以及第二导电类型半导体层5。该有源层4包括势阱层401和势垒层403。该势阱层401的材料为InGaN，该势垒层403的材料为GaN。为了使发光二极管能够产生具有较长波长的光，常常提高势阱层401中的In组分的含量，同时采用AlGaN在势阱层401和势垒层403之间形成插入层402。该插入层402与势阱层401之间产生量子限制斯塔克效应(QCSE)，使势阱禁带宽度变窄，以提高发光波长。然而，势阱层401材料的100晶向的晶格常数较大，插入层402材料的100晶向的晶格常数较小，插入层402材料与势阱层401材料之间存在较大的晶格失配问题，导致外延生长的插入层402材料的晶格品质较差，并产生V型缺陷。随着插入层402的厚度增加，插入层402材料中的V型缺陷会放大并形成凹坑或孔洞，导致势阱层401材料中的In组分在后续的高温外延生长过程中分解并析出逃逸，对In组分的均匀性造成影响，同时减少了势阱层401材料中In组分的含量，进而降低了发光二极管(LED)的光电性能。
实施例一
图2是本公开实施例一的LED结构的制备方法的流程图。图3和图4是本公开实施例一的LED结构的示意图。图5是本公开实施例一的LED结构中插入层的示意图。
如图2所示，实施例一的LED结构的制备方法可以包括步骤S100至步骤S120，其中：
步骤S100、在一衬底上生长第一导电类型半导体层。
步骤S110、在第一导电类型半导体层上生长有源层，有源层包括层叠设置的势阱层、插入层以及势垒层，插入层包括层叠设置的第一插入层和第二插入层，第一插入层与势阱层之间产生量子限制斯塔克效应；势阱层、第一插入层以及势垒层的材料均为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，第二插入层的材料包含Si-N键，用于修复第一插入层的V型缺陷。
步骤S120、在有源层上生长第二导电类型半导体层，第一导电类型半导体层与第二导电类型半导体层的导电类型相反。
本实施例的LED结构的制备方法，如图3至图5所示，有源层4包括层叠设置的势阱层401、插入层402以及势垒层403，插入层402包括层叠设置的第一插入层4021和第二插入层4022，第一插入层4021与势阱层401之间产生量子限制斯塔克效应，第二插入层4022材料中的Si-N键可以修复由于第一插入层4021材料与势阱层401材料的晶格失配所形成的第一插入层4021中的V型缺陷，从而能够解决相关技术中由于第一插入层4021与势阱层401的晶格失配所导致的发光二极管的光电性能降低的问题，防止发光二极管的光电性能降低。
下面对本实施例的各步骤进行详细说明：
在步骤S100中，在一衬底上生长第一导电类型半导体层。
如图3所示，该衬底1可以为蓝宝石衬底1、碳化硅衬底1和硅衬底1 中的一种，本实施例对此不加以限制。此外，在形成第一导电类型半导体层3之间，本实施例还可以在衬底1上形成缓冲层2。该第一导电类型半导体层3可以生长于缓冲层2上。其中，该第一导电类型半导体层3可以在反应室中形成，其形成工艺可以包括：原子层沉积法(ALD，Atomic layer deposition)、或化学气相沉积法(CVD，Chemical Vapor Deposition)、或分子束外延生长法(MBE，Molecular Beam Epitaxy)、或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)、或低压化学蒸发沉积法(LPCVD，Low Pressure Chemical Vapor Deposition)，或金属有机化合物化学气相沉积法、或其组合方式。该缓冲层2、第一导电类型半导体层3均可以为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如GaN等。其中，该第一导电类型半导体层3的材料可以为N型GaN。
在步骤S110中，在第一导电类型半导体层上生长有源层，有源层包括层叠设置的势阱层、插入层以及势垒层，插入层包括层叠设置的第一插入层和第二插入层，第一插入层与势阱层之间产生量子限制斯塔克效应；势阱层、第一插入层以及势垒层的材料均为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，第二插入层的材料包含Si-N键，用于修复第一插入层的V型缺陷。
如图3所示，该有源层4可以为单量子阱结构，其包括一个势阱层401、一个插入层402以及一个势垒层403。当然，如图4所示，该有源层4也可以为多量子阱结构，势阱层401和势垒层403交替设置，且任意相邻的势阱层401和势垒层403之间具设有插入层402。该势阱层401的材料可以为InGaN，该势垒层403的材料可以为GaN，但本公开实施方式对此不做特殊限定。该势阱层401、和势垒层403的形成工艺可以参照第一导电类型半导体层3的形成工艺。
如图5所示，该插入层402包括层叠设置的第一插入层4021和第二插入层4022。其中，该插入层402的顶部和底部均为第一插入层4021。该第一插入层4021与势阱层401之间产生量子限制斯塔克效应(QCSE)，使势阱禁带 宽度变窄，以提高发光波长。该第一插入层4021的材料可以为AlGaN或AlInGaN。该第二插入层4022的材料可以为Si掺杂的AlGaN。以势阱层401材料为InGaN为例，第二插入层4022材料中的Si-N键可以修复由于第一插入层4021材料与势阱层401材料的晶格失配所形成的第一插入层4021中的V型缺陷，避免上述的V型缺陷形成凹坑或孔洞，防止势阱层401材料中的In组分在后续的高温外延生长过程中分解析出。
如图5所示，该第一插入层4021和第二插入层4022的形成工艺可以参照第一导电类型半导体层3的形成工艺。其中，该第二插入层4022中的Si-N键通过向反应室中通入硅源实现。该硅源可以包括硅烷和/或乙硅烷，但本公开实施例对此不做特殊限定。举例而言，以第一插入层4021的材料为AlGaN为例，该插入层402的生长方法可以包括：同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长第一插入层4021；同时向反应室中通入Al源、Ga源、Si源、氨气和载气，生长第二插入层4022。其中，通入Si源的摩尔速率与通入Ga源的摩尔速率的比值可以为1/10 7-1/10 5，例如1/10 7、1/10 6、1/10 5等。一个第二插入层4022的生长时间与插入层402的生长时间的比值可以为1/100-1/5，例如1/100、1/60、1/20、1/5等。可选地，通入Si源的摩尔速率与生长第一插入层4021的过程中通入Ga源的摩尔速率的比值可以为1/10 7-1/10 5。生长第一插入层4021的过程中通入Ga源的摩尔速率可以与生长第二插入层4022的过程中通入Ga源的摩尔速率相同。
在步骤S120中，在有源层上生长第二导电类型半导体层，第一导电类型半导体层与第二导电类型半导体层的导电类型相反。
如图3和图4所示，该第二导电类型半导体层5可以为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如GaN等。以第一导电类型半导体层3的材料为N型GaN为例，该第二导电类型半导体层5的材料可以为P型GaN。该第二导电类型半导体层5的形成工艺可以参照第一导电类型半导体层3的形成工艺。
如图3至图5所示，本实施例制备的LED结构可以包括有源层4。该 有源层4可以包括层叠设置的势阱层401、插入层402以及势垒层403。该插入层402包括层叠设置的第一插入层4021和第二插入层4022，第一插入层4021与势阱层401之间产生量子限制斯塔克效应。该势阱层401、第一插入层4021以及势垒层403的材料均为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。该第二插入层4022的材料包含Si-N键，用于修复第一插入层4021的V型缺陷。
实施例二
本公开实施例二的LED结构及LED结构的制备方法与本公开实施例一的LED结构及LED结构的制备方法大致相同，区别仅在于插入层的生长方法以及插入层中第二插入层的材料。其中，本公开实施例二的LED结构中第二插入层的材料可以为Si掺杂的GaN，插入层的生长方法可以为：同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长第一插入层；关闭Al源，同时向反应室中通入Ga源、Si源、氨气和载气，生长第二插入层。
实施例三
本公开实施例三的LED结构及LED结构的制备方法与本公开实施例一的LED结构及LED结构的制备方法大致相同，区别仅在于插入层的生长方法以及插入层中第二插入层的材料。其中，本公开实施例三的LED结构中第二插入层的材料可以为Si掺杂的AlN，插入层的生长方法可以为：同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长第一插入层；关闭Ga源，同时向反应室中通入Al源、Si源、氨气和载气，生长第二插入层。
实施例四
本公开实施例四的LED结构及LED结构的制备方法与本公开实施例一的LED结构及LED结构的制备方法大致相同，区别仅在于插入层的生长方法以及插入层中第二插入层的材料。其中，本公开实施例四的LED结构中第二插入层的材料可以为SiN，插入层的生长方法可以为：同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长第一插入层；关闭Al源、Ga源，同时向所 述反应室中通入Si源、氨气和载气，生长第二插入层。
实施例五
图6是本公开实施例五的LED结构中插入层的示意图。本公开实施例五的LED结构及LED结构的制备方法与本公开实施例一至实施例四中任一实施例的LED结构及LED结构的制备方法大致相同，区别仅在于插入层的结构。如图6所示，本公开实施例五的插入层402可以包括多个第一插入层4021和多个第二插入层4022，且第一插入层4021和第二插入层4022交替设置。其中，该第二插入层4022的数量可以为2-20，例如2、4、6、9、17、20等。多个第二插入层4022的材料均相同。
实施例六
本公开实施例六的LED结构及LED结构的制备方法与本公开实施例五的LED结构及LED结构的制备方法大致相同，区别仅在于：本公开实施例六的多个第二插入层存在两个第二插入层的材料不同，且任一第二插入层的材料选自SiN、Si掺杂的AlGaN、Si掺杂的GaN以及Si掺杂的AlN中的一种。
实施例七
本公开实施例七提供一种LED器件。该LED器件可以包括实施例一至实施例六中任一实施例中的LED结构。当然，该LED器件还可以包括电连接于第一导电类型半导体层的第一电极以及电连接于第二导电类型半导体层的第二电极。由于本公开实施例七的LED器件所包含的LED结构同上述实施例中的LED结构相同，因此，其具有相同的有益效果，本公开在此不再赘述。
以上所述仅是本公开的较佳实施方式而已，并非对本公开做任何形式上的限制，虽然本公开已以较佳实施方式揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施方式，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施方 式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。

Claims (13)

  1. 一种LED结构的制备方法，其特征在于，包括：
    在一衬底(1)上生长第一导电类型半导体层(3)；
    在所述第一导电类型半导体层(3)上生长有源层(4)，所述有源层(4)包括层叠设置的势阱层(401)、插入层(402)以及势垒层(403)，所述插入层(402)包括层叠设置的第一插入层(4021)和第二插入层(4022)，所述第一插入层(4021)与所述势阱层(401)之间产生量子限制斯塔克效应；所述势阱层(401)、第一插入层(4021)以及势垒层(403)的材料均为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，所述第二插入层(4022)的材料包含Si-N键，用于修复所述第一插入层(4021)的V型缺陷；
    在所述有源层(4)上生长第二导电类型半导体层(5)，所述第一导电类型半导体层(3)与所述第二导电类型半导体层(5)的导电类型相反。
  2. 根据权利要求1所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述势阱层(401)的材料为InGaN，所述势垒层(403)的材料为GaN，所述第一插入层(4021)的材料为AlGaN或AlInGaN，所述第二插入层(4022)的材料选自SiN、Si掺杂的AlGaN、Si掺杂的GaN以及Si掺杂的AlN中的至少一种。
  3. 根据权利要求1或2所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述第二插入层(4022)中的Si-N键通过向反应室中通入硅源实现，所述硅源包括硅烷和/或乙硅烷。
  4. 根据权利要求2所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述插入层(402)的生长方法包括：
    同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长所述第一插入层(4021)；
    同时向所述反应室中通入Al源、Ga源、Si源、氨气和载气，生长所述第二插入层(4022)，所述第二插入层(4022)的材料为Si掺杂的AlGaN。
  5. 根据权利要求2所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述插入层(402)的生长方法包括：
    同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长所述第一插入层(4021)；
    关闭Al源、Ga源，同时向所述反应室中通入Si源、氨气和载气，生长所述第二插入层(4022)，所述第二插入层(4022)的材料为SiN。
  6. 根据权利要求2所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述插入层(402)的生长方法包括：
    同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长所述第一插入层(4021)；
    关闭Al源，同时向所述反应室中通入Ga源、Si源、氨气和载气，生长所述第二插入层(4022)，所述第二插入层(4022)的材料为Si掺杂的GaN。
  7. 根据权利要求2所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述插入层(402)的生长方法包括：
    同时向反应室中通入Al源、Ga源、氨气和载气，生长所述第一插入层(4021)；
    关闭Ga源，同时向所述反应室中通入Al源、Si源、氨气和载气，生长所述第二插入层(4022)，所述第二插入层(4022)的材料为Si掺杂的AlN。
  8. 根据权利要求4-7任一项所述的LED结构的制备方法，其特征在于，所述Si源的摩尔速率与所述Ga源的摩尔速率的比值为1/10 7-1/10 5。
  9. 根据权利要求4-7任一项所述的LED结构的制备方法，其特征在于，一个所述第二插入层(4022)的生长时间与所述插入层(402)的生长时间的比值为1/100-1/5。
  10. 一种LED结构，其特征在于，包括：
    有源层(4)，包括层叠设置的势阱层(401)、插入层(402)以及势垒层(403)，所述插入层(402)包括层叠设置的第一插入层(4021)和第二插入层(4022)，所述第一插入层(4021)与所述势阱层(401)之间产生量子限制斯塔克效应；所述势阱层(401)、第一插入层(4021)以及势垒层(403)的材料均为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，所述第二插入层(4022)的材料包含Si-N键，用于修复所述第一插入层(4021) 的V型缺陷。
  11. 根据权利要求10所述的LED结构，其特征在于，所述势阱层(401)的材料为InGaN，所述势垒层(403)的材料为GaN，所述第一插入层(4021)的材料为AlGaN或AlInGaN，所述第二插入层(4022)的材料选自SiN、Si掺杂的AlGaN、Si掺杂的GaN以及Si掺杂的AlN中的至少一种。
  12. 根据权利要求10所述的LED结构，其特征在于，所述插入层(402)包括多个所述第一插入层(4021)和多个所述第二插入层(4022)，所述第一插入层(4021)和所述第二插入层(4022)交替分布。
  13. 一种LED器件，其特征在于，包括权利要求10-12任一项所述的LED结构。
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