CN107808912B - 一种氮化物发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体领域，尤其涉及一种氮化物发光二极管及其制备方法，其在P型半导体层的电子阻挡层和P型接触层之间***一多层结构，多层结构包括复数个含In的厚度20~50埃的子结构层，以降低其能隙，便于空穴迁移，提高电子空穴的复合；同时，设置第二In_x1N层的P型杂质浓度高于第一In_x1N层，使得厚度较薄的子结构层仍可以提供足够浓度的空穴；另外，本发明采用原子层沉积技术生长子结构层，从而获得厚度较薄，但质量较高的子结构层。

Description

一种氮化物发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明属于半导体领域，尤其涉及一种在P型半导体层中***含In的包括低浓度P型掺杂的第一In_x1N层、In_x2Ga_yN层、高浓度P型掺杂的第二In_x1N层循环层叠形成的多层结构的氮化物发光二极管及其制备方法。

背景技术

目前，如何提高发光二极管的发光效率已经成为本领域技术人员急需解决的问题。常规的LED中，外延层由N型层、发光层和P型层层叠而成，其中为了获得质量较好的P型层，传统的LED常需生长厚度较大的P型层，以提供较高浓度的空穴，增强ESD等。而较厚的P型层会吸收部分发光层发射的光，导致最终出光效率降低。而如果降低P型层的厚底，例如小于100埃，其生长质量会降低，空穴浓度也会降低，从而导致发光效率降低。

因此如何设计P型层的结构，使得其厚度小于100埃，减少对光的吸收，提升发光二极管的外量子效率，又能保证P型层中具有较高的空穴浓度，以保证发光二极管的内量子效率，是目前急需解决的技术问题。

发明内容

为解决以上问题，本发明一方面公开了一种氮化物发光二极管，至少包括衬底，以及依次位于所述衬底上的N型半导体层、发光层、P型半导体层，所述P型半导体层包括依次层叠的电子阻挡层和P型接触层，其特征在于：所述电子阻挡层和P型接触层之间还***一多层结构，所述多层结构包括复数个子结构层，所述子结构层包括P型掺杂的第一In_x1N层、In_x2Ga_yN层和P型掺杂的第二In_x1N层，其中，0＜x1≤1、0<x2≤1、0≤y≤1，所述第一In_x1N层和第二In_x1N层的P型杂质相同，且第二In_x1N层中P型杂质浓度高于第一In_x1N层。

优选的，第二In_x1N层中P型杂质掺杂浓度是第一Inx₁N层的2~4倍。

优选的，所述In_x2Ga_yN层为非故意P型杂质掺杂层或者P型杂质掺杂层。

优选的，所述子结构层的个数为2~10。

优选的，所述子结构层的厚度为20~50埃。

优选的，所述P型半导体层的总厚度小于等于100埃。

本发明在其另一方面，为制备上述的发光二极管，还公开了一种氮化物发光二极管的制备方法，包括如下步骤：

S1、提供一衬底；

S2、于所述衬底上依次沉积N型半导体层、发光层和电子阻挡层；

S3、于所述电子阻挡层上沉积P型掺杂的第一In_x1N层，0<x1≤1；

S4、于所述第一In_x1N层上沉积In_x2Ga_yN层，0<x2≤1、0≤y≤1；

S5、于所述In_x2Ga_yN层上沉积P型掺杂的第二In_x1N层，0<x1≤1，所述第一In_x1N层和第二In_x1N层的P型杂质相同，所述第二In_x1N层的P型杂质浓度高于第一In_x1N层；

S6、重复步骤S3~S5多次，形成多层结构；

S7、于所述步骤S6之后沉积P型接触层，所述电子阻挡层、多层结构和P型接触层形成P型半导体层。

优选的，所述第二In_x1N层中P型杂质浓度是第一In_x1N层的2~4倍。

优选的，所述多层结构采用原子层沉积方法生长而成。

优选的，所述步骤S6中S3~S5的重复次数为2~10次。

优选的，所述第二In_x1N层的生长温度高于第一In_x1N层。

优选的，所述第二In_x1N层的生长温度高于所述第一In_x1N层的生长温度25~100℃。

本发明在P型半导体层的电子阻挡层和P型接触层之间***一多层结构，多层结构包括复数个含In的厚度20~50埃的子结构层，以降低其能隙，便于空穴迁移，提高电子空穴的复合；同时，设置第二In_x1N层的P型杂质浓度高于第一In_x1N层，使得厚度较薄的子结构层仍可以提供足够浓度的空穴。另外，本发明采用原子层沉积技术生长子结构层，从而获得厚度较薄，但质量较高的子结构层。

附图说明

图1为本发明之氮化物发光二极管之截面结构示意图。

图2为本发明之氮化物发光二极管之实施例一之P型半导体层结构示意图。

图3为本发明之氮化物发光二极管之实施例四之制备方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的发光二极管进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

由于发光层发出的光，需穿过P型半导体层发射出去，因此，如果P型半导体层的厚度较大，容易吸收部分光，导致发光二极管的发光效率降低。本发明中设计P型半导体层的厚度小于等于100埃，减少其吸光，从而增大LED的出光效率。而当P型半导体层的厚度较小时，其提供的空穴浓度将降低，反而降低了空穴与电子的复合几率，进一步降低了发光层的发光效率，因此，如何在P型半导体层的厚度小于等于100埃时，使P型半导体层依然可以提供足够的空穴，甚至更高的空穴浓度，是本发明解决的关键问题。

实施例一

参看附图1，本实施例公开的一种发光二极管，至少包括衬底10，以及依次位于衬底10上的N型半导体层20、发光层30、P型半导体层40，注入发光二极管电流后，发光层30发射一定波长的光线。

其中，衬底10由与其上外延生长的N型半导体层的晶格匹配性较好的材料制作而成，例如蓝宝石、碳化硅、硅、氮化镓等，本实施例中对衬底10的面积和厚度不作特别限制。

N型半导体层20具体为在氮化镓中掺杂N型掺杂剂制成，N型掺杂剂包括Si、Ge、Sn、S、O、Ti、Zr等。发光层30是N型半导体层20注入的电子和P型半导体层40注入的空穴复合发光的位置，其优选由阱层和垒层周期性层叠而成的多量子阱结构。作为本实施例的变形实施例，在衬底10和N型半导体层20之间还可以设置缓冲层（图中未示出），用以缓冲两者之间的晶格失配。P型半导体层40具体为在氮化镓中掺杂P型掺杂剂制成，P型掺杂剂包括Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Ca等。

参看附图2，本发明中的P型半导体层40包括依次层叠的电子阻挡层41、多层结构、P型接触层45。其中，电子阻挡层41为P型AlInGaN或P型AlGaN， P型接触层45为高掺杂层，为杂质掺杂浓度大于2×10²⁰cm^-3的P-GaN。

该多层结构包括复数个含In的子结构层，本实施例中优选为2~10个子结构层，每一子结构层的厚度范围为20~50埃。每一子结构层包括P型掺杂的第一In_x1N层42、In_x2Ga_yN层43和P型掺杂的第二In_x1N层44，其中，0<x1≤1、0<x2≤1、0≤y≤1，第二In_x1N层44和第一In_x1N层42的P型杂质相同，并且第二In_x1N层44的P型杂质浓度高于第一In_x1N层42，具体地，第二In_x1N层44的P型杂质浓度是第一In_x1N层42的2~4倍。P型掺杂剂包括Be、Zn、Mn、Cr、Mg、Ca等，本实施例中优选P型掺杂剂为Mg。在电子阻挡层41和P型接触层45之间***的该包括2~10个含In的子结构层的多层结构，含In的子结构层可以降低其能隙，便于空穴迁移，提高电子空穴的复合；同时，设置第二In_x1N层的P型杂质浓度高于第一In_x1N层，一方面减小子结构层的厚度，获得20~50埃的子结构层，另一方面使得厚度较薄的子结构层仍可以提供足够浓度的空穴。

Inx₂GayN层43可以为P型杂质掺杂层，也可以为非故意P型杂质掺杂层，本实施例中优选为非故意P型杂质掺杂层，如此，可以在生长该层时，可以简化通入P型杂质的工艺流程，简化生长工艺。因为In_x2Ga_yN层43为在外延生长P型掺杂的第一In_x1N层42之后进行生长，而第一In_x1N层42的P型掺杂剂会留存一部分在反应腔体内，从而在生长In_x2Ga_yN层43时可以进行非故意P型杂质掺杂，一方面使得In_x2Ga_yN层43中掺入少量的P型杂质，另一方便不需要通入P型杂质即可实现，从而在生长In_x2Ga_yN层43时，可以简化通入P型杂质的工艺流程，简化生长工艺。

实施例二

本实施例中子结构层中x1=1、x2=1、y=0，即子结构层包括低浓度P型掺杂的第一InN层、非故意P型掺杂的InN层、高浓度P型掺杂的第二InN层。

实施例三

本实施例中子结构层中x1=1、x2=1、y=1，子结构层可以为包括低浓度P型掺杂的第一InN层、非故意P型掺杂的InGaN层、高浓度P型掺杂的第二InN层。

实施例四

参看附图3，为制备上述的氮化物发光二极管，本发明还公开了一种氮化物发光二极管的制备方法，包括如下步骤：

S1、提供一衬底10；

S2、于衬底10上依次沉积N型半导体层20、发光层30和电子阻挡层41；

S3、于电子阻挡层41上沉积P型掺杂的第一In_x1N层42，0<x1≤1；

S4、于第一In_x1N层42上沉积In_x2Ga_yN层43，0<x2≤1、0≤y≤1；

S5、于In_x2Ga_yN层43上沉积P型掺杂的第二In_x1N层44，0≤x1≤1，第二In_x1N层44与第一In_x1N层42的P型杂质相同，并且第二In_x1N层44的P型杂质浓度高于第一In_x1N层42；

S6、重复步骤S3~ S5多次，形成多层结构；

S7、于步骤S6之后沉积P型接触层45，电子阻挡层41、多层结构和P型接触层45形成P型半导体层40。

本发明方法形成的氮化物发光二极管的结构，具体如实施例1~3所述，此处不再赘述。

其中，步骤S6中S3~ S5的重复次数为2~10次，即形成2~10个周期的子结构层，其中子结构层包括依次层叠的P型掺杂的第一In_x1N层42、In_x2Ga_yN层43、P型掺杂的第二In_x1N层44。

为使第二In_x1N层44的P型杂质浓度高于第一In_x1N层42，本实施例中在外延生长时，第二In_x1N层44的生长温度高于第一In_x1N层42的生长温度，优选的，两者的温度差为25~100℃，即当第一In_x1N层42的生长温度为950~1100℃时，第二In_x1N层44的生长温度为975~1200℃，而第一In_x1N层42与第二In_x1N层44层的生长压力相同，为50~250mbar。本实施例优选第一In_x1N层42的生长温度为950℃，第二In_x1N层44的生长温度为975℃，两者的生长压力均为150 mbar。

在外延生长过程中，当外延层的生长温度较低时，尤其是在P型半导体生长过程中，较低的生长温度，使得P型杂质源，例如Mg源的裂解效益将降低，进而造成Mg原子浓度将降低，相应地，提供的空穴浓度将降低，进而会降低电子和空穴复合效益，从而导致发光层的发光效率降低，因此在外延生长第一In_x1N层42和第二In_x1N层44时，设置第二In_x1N层44的生长温度高于第一In_x1N层42，将第二In_x1N层44作为空穴的主要提供层，一方面使得多层结构的生长质量提高，另一方面使其提供的空穴浓度增加，从而提高发光层的发光效率。

本实施例中In_x2Ga_yN层43为非故意P型杂质掺杂层，即在外延生长第一In_x1N层42时通入P型杂质源，由于生长机台腔体中留存有P型杂质源，而在生长In_x2Ga_yN层43，不通入P型杂质源，而是利用腔体中留存有P型杂质源渗入In_x2Ga_yN层43，形成非故意P型杂质掺杂层，此种生长方式可以简化通入P型杂质的工艺流程，简化生长工艺。

In_x2Ga_yN层43的生长温度可以与第一In_x1N层42相同，也可以不同，本实施例中优选两者的生长温度相同，即均为950~1100℃，则第二In_x1N层44的生长温度也高于In_x2Ga_yN层43的生长温度25~100℃，本实施例优选In_x2Ga_yN层43的生长温度为950℃。In_x2Ga_yN层43的生长压力与第一In_x1N层42和第二In_x1N层44也可以相同，即为50~250mbar，本实施例优选为150mbar。

实施例五

本实施例中，由于采用外延生长需获取厚度为20~50埃子结构层厚度，而采用常规的外延生长MOCVD法生长该薄层时，其生长质量将较差，从而无法提供足够的空穴浓度，因此，本实施中Mg掺杂的第一In_x1N层42和第二In_x1N层42在生长时采用原子层沉积方法生长，即Mg源、In源、N源为依次间歇通入。具体为：首先通入一定时间的Mg源，关闭Mg源；然后通入一定时间的In源，关闭In源；最后通入一定时间的N源，关闭N源。Mg源、In源、N源采用依次间歇通入的方式进行外延生长，该技术可以使制程气体与材料表面进行化学吸附反应，这种反应具有自我局限特性，使得每一次进气循环的过程，仅形成厚度为一层原子的薄膜，此种特性可以控制镀膜厚度的精确性达原子级(约十分之一纳米)的尺度，由于原子层沉积技术形成的薄膜，其成长过程被局限在材料表面，使薄膜具高阶梯覆盖率及极佳的厚度均匀性，因此可生长出均匀性较好且厚度较薄（比如20~50埃）的膜层厚度，即可以生长出质量较好的In x₁N层。

而当生长In_x2Ga_yN层43时，采用原子层沉积生长并且无需通入Mg源，例如当x2=1，y=1时，In_x2Ga_yN层43为InGaN层，Ga源、In源、N源为依次间歇通入。在生长InGaN时，无需通入Mg源，因为在生长第一In_x1N层时，已经通入足够量的Mg源，而当生长InGaN层，机台腔体中留存的Mg源可以渗入InGaN层中。相较于直接Mg掺杂生长InGaN层，采用该种方式可以获得质量更高的InGaN层，同时，采用原子层沉积生长可以获得厚度较薄、质量较高的InGaN层。

实施例六

本实施例中，对P型层40的总厚度进一步进行了限定，其总厚度小于等于100埃。传统的P型层40结构厚度较厚（大于100埃），而如果减小P型层40的厚度，其晶体质量将变差，同时其提供的空穴浓度将降低，而如何在较薄P型层40的前提下，还可以保证其空穴浓度较高，上述的发光二极管结构及其制备方法可以满足该需求。

应当理解的是，上述具体实施方案为本发明的优选实施例，本发明的范围不限于该实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种氮化物发光二极管，至少包括衬底，以及依次位于所述衬底上的N型半导体层、发光层、P型半导体层，所述P型半导体层包括依次层叠的电子阻挡层和P型接触层，其特征在于：所述电子阻挡层和P型接触层之间还***一多层结构，所述多层结构包括复数个子结构层，所述子结构层包括P型掺杂的第一In_x1N层、In_x2Ga_yN层和P型掺杂的第二In_x1N层，其中，0＜x1≤1、0<x2≤1、0≤y≤1，所述第一In_x1N层和第二In_x1N层的P型杂质相同，且第二In_x1N层中P型杂质浓度高于第一In_x1N层。

2.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：第二In_x1N层中P型杂质掺杂浓度是第一In_x1N层的2~4倍。

3.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述In_x2Ga_yN层为非故意P型杂质掺杂层或者P型杂质掺杂层。

4.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述子结构层的个数为2~10。

5.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述子结构层的厚度为20~50埃。

6.根据权利要求1所述的一种氮化物发光二极管，其特征在于：所述P型半导体层的总厚度小于等于100埃。

7.一种氮化物发光二极管的制备方法，包括如下步骤：

S1、提供一衬底；

S2、于所述衬底上依次沉积N型半导体层、发光层和电子阻挡层；

S3、于所述电子阻挡层上沉积P型掺杂的第一In_x1N层，0<x1≤1；

S4、于所述第一Inx₁N层上沉积In_x2Ga_yN层，0<x2≤1、0≤y≤1；

S5、于所述In_x2Ga_yN层上沉积P型掺杂的第二In_x1N层，0<x1≤1，所述第一In_x1N层和第二In_x1N层的P型杂质相同，所述第二In_x1N层的P型杂质浓度高于第一In_x1N层；

S6、重复步骤S3~S5多次，形成多层结构；

S7、于所述步骤S6之后沉积P型接触层，所述电子阻挡层、多层结构和P型接触层形成P型半导体层。

8.根据权利要求7所述的一种氮化物发光二极管的制备方法，其特征在于：所述第二In_x1N层中P型杂质浓度是第一In_x1N层的2~4倍。

9.根据权利要求7所述的一种氮化物发光二极管的制备方法，其特征在于：所述多层结构采用原子层沉积方法生长而成。

10.根据权利要求7所述的一种氮化物发光二极管的制备方法，特征在于：所述步骤S6中S3~S5的重复次数为2~10次。

11.根据权利要求7所述的一种氮化物发光二极管的制备方法,其特征在于：所述第二In_x1N层的生长温度高于第一In_x1N层。

12.根据权利要求7所述的一种氮化物发光二极管的制备方法，其特征在于：所述第二In_x1N层的生长温度高于所述第一In_x1N层的生长温度25~100℃。