CN110085713B - 一种带有***层的多量子阱发光二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种带有***层的多量子阱发光二极管及其制备方法，在多量子阱有源层的阱层和垒层之间加入二维功能材料***层，其透光性好，且能阻隔外延层生长缺陷，有效避免阱层与垒层之间因生长缺陷造成的电子空穴猝灭，降低电光转换热损耗，同时***层避免电子溢出，提高载流子注入效率，使发光二极管亮度高，寿命长，电光转换效率高，节能环保。
Description
技术领域
本发明属于发光二极管(LED)领域，具体涉及一种带有***层的多量子阱发光二极管及其制备方法。
背景技术
现有技术中多量子阱发光二极管普遍采用GaN基材料作为量子阱层和垒层材料，但是由于阱层中通常要掺杂其他元素，会造成晶格畸变，阱层和垒层的晶格参数差异造成缺陷，阱层和垒层多层周期生长后，缺陷不断累积。此外，为了保证掺杂元素的掺杂量，阱层和垒层往往需要不同的外延条件，如控制温度、压强、源气体成分等，不同的工艺参数也会加剧缺陷的形成。这些缺陷会捕捉载流子，造成载流子的猝灭，降低了量子阱的电光转换效率。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明提供了一种带有***层的多量子阱发光二极管，方案如下：所述多量子阱发光二极管包括：生长衬底，依次设置在所述生长衬底上的籽晶层、缓冲层、非故意掺杂层、N型半导体层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型半导体层，分别设置在P型半导体层和N型半导体层上的P电极和N电极；其特征在于，多量子阱有源层包括由下至上依次生长的多个周期的阱层和垒层交替叠置，在阱层和垒层之间设置MoS2二维功能材料形成的***层。
进一步的，***层还包括石墨烯层。
进一步的，MoS2层与石墨烯层交替周期排列，总厚度小于等于5nm。
进一步的，MoS2层具有P型杂质掺杂。
进一步的，MoS2材料中P型杂质掺杂浓度由N型半导体层一侧向P型半导体层一侧逐渐增加。
本发明还提供了一种带有***层的多量子阱发光二极管的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供一生长衬底，对生长衬底进行退火处理；
(2)采用MOCVD工艺，在所述生长衬底上依次形成籽晶层、缓冲层、非故意掺杂层、N型半导体层；
(3)在所述N型半导体层上生长多量子阱有源层，其中所述多量子阱有源层包括由下至上依次生长的多个周期的阱层和垒层交替叠置，所述阱层由InGaN材料形成，所述垒层由GaN材料形成，在所述阱层与所述垒层之间设置由MoS2二维功能材料形成的***层；
(4)在所述多量子阱有源层上形成电子阻挡层、P型半导体层；
(5)依次刻蚀所述P型半导体层、所述电子阻挡层、所述多量子阱有源层至所述N型半导体层；
(6)在所述P型半导体层和所述N型半导体层上形成P电极和N电极。
如上所述，本发明提供一种多量子阱发光二极管及其制备方法，其有益效果包括：
(1)在量子阱层与垒层之间设置MoS2等二维材料形成的***层，其可阻断外延缺陷的扩展，提高量子阱结构的外延生长质量，避免载流子的猝灭；
(2)二维材料***层可以避免电子溢出，提高量子效率。
附图说明
图1为本发明第1实施例的多量子阱发光二极管结构示意图。
图2为本发明中第1实施例中多量子阱有源层的结构示意图。
图3为本发明中第2实施例中多量子阱有源层的结构示意图。
图示说明：生长衬底1，籽晶层2，缓冲层3，非故意掺杂4，N型半导体层5，多量子阱有源层6，电子阻挡层7，P型半导体层8，P电极9，N电极10，阱层6a，垒层6b，MoS2***层11，石墨烯***层12。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式进一步地详细描述。
实施例1
图1是本发明第1实施例的多量子阱发光二极管结构示意图。如图1所示，发光二极管包括生长衬底1，以及依次设置在生长衬底上的籽晶层2、缓冲层3、非故意掺杂层4、N型半导体层5、多量子阱有源层6、电子阻挡层7、P型半导体层8。依次刻蚀P型半导体层8、电子阻挡层7、多量子阱有源层6至N型半导体层5，形成台面结构，P电极9和N电极10分别设置在P型半导体层8和N型半导体层5上。
图2为本发明中多量子阱有源层的结构示意图。如图2所示，多量子阱有源层6包括由下至上依次生长的10-15个周期的阱层6a和垒层6b交替叠置，其中阱层6a由InGaN材料形成，垒层6b由GaN材料形成，在阱层与垒层之间设置MoS2二维材料形成的***层。通过在阱层与垒层之间设置二维材料***层，有效地抑制了阱层与垒层之间缺陷的形成及扩展，抑制了载流子的猝灭。同时二维材料***层厚度不超过5nm，不影响电流及光线的传播。此外，在二维材料***层可以具有P型掺杂元素，防止在大电流密度下的电子溢出，使电子与空穴在阱层中复合，并以光波形式释放能量，提高了多量子阱有源层的量子效率。
本实施例提供的带有***层的多量子阱发光二极管的制备方法，其制备方法包括如下步骤：
(1)对生长衬底1进行退火处理：在温度为1000-1200℃，氢气环境中，加热衬底5-10分钟；
(2)采用MOCVD工艺，在生长衬底1上依次形成籽晶层2、缓冲层3、非故意掺杂层4、N型半导体层5；其中外延生长的温度范围为900-1200℃，反应室压力范围200-400torr。
(3)在N型半导体层5上生长多量子阱有源层6，其包括在N型半导体层5上生长InGaN材料作为阱层6a，在阱层6a生长MoS2二维材料***层11，生长GaN材料作为垒层6b，再生长MoS2二维材料***层11，重复多个周期，形成多量子阱结构。
(4)在多量子阱有源层6上形成电子阻挡层7、P型半导体层8，外延生长的温度范围为1000-1200℃，反应室压力范围200-400torr。
(6)依次刻蚀P型半导体层8、电子阻挡层7、多量子阱有源层6至N型半导体层5，形成台面结构；
(7)在P型半导体层8和N型半导体层5上形成P电极109和N电极110。
其中MoS2二维材料层可以通过转移工艺形成，也可以先生长MoO2材料后通过硫化形成。
实施例2
图3为本发明第2实施例的多量子阱发光二极管结构示意图。如图3所示，实施例2中的发光二极管与实施例1的区别在于：在二维材料层加入石墨烯材料12，其中MoS2***层11和石墨烯***层12周期叠置。
综上所述，本发明的一种带有***层的多量子阱发光二极管及其制备方法，具有以下有益效果：通过在量子阱层与垒层之间设置二维材料***层，可以阻断外延缺陷的扩展，提高量子阱结构的外延生长质量，避免载流子的猝灭；提高量子效率，减少载流子的非光辐射损耗。二维材料***层掺杂P型元素，其可以避免电子溢出，提高量子效率，提高发光二极管的亮度及使用寿命。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者，在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种带有***层的多量子阱发光二极管，所述多量子阱发光二极管包括：生长衬底，依次设置在所述生长衬底上的籽晶层、缓冲层、非故意掺杂层、N型半导体层、多量子阱有源层、电子阻挡层、P型半导体层，分别设置在P型半导体层和N型半导体层上的P电极和N电极；其特征在于，多量子阱有源层包括由下至上依次生长的多个周期的阱层和垒层交替叠置，在阱层和垒层之间设置由石墨烯层和MoS2二维功能材料形成的***层，MoS2层与石墨烯层交替周期排列，所述***层的总厚度小于等于5nm，所述MoS2层具有P型杂质掺杂。
2.如权利要求1所述的带有***层的多量子阱发光二极管，其特征在于，在所述P型杂质掺杂浓度由N型半导体层一侧向P型半导体层一侧逐渐增加。
3.如权利要求1-2任一项所述的带有***层的多量子阱发光二极管，其特征在于，所述多量子阱有源层的所述阱层为InGaN基材料，垒层为GaN基材料。
4.如权利要求1-2任一项所述的带有***层的多量子阱发光二极管，其特征在于，P型半导体层和N型半导体层为掺杂的GaN基材料。
5.一种带有***层的多量子阱发光二极管的制备方法，所述多量子阱发光二极管制备方法包括如下步骤：(1)提供一生长衬底，对生长衬底进行退火处理；
(2)采用MOCVD工艺，在所述生长衬底上依次形成籽晶层、缓冲层、非故意掺杂层、N型半导体层；
(3)在所述N型半导体层上生长多量子阱有源层，其中所述多量子阱有源层包括由下至上依次生长的多个周期的阱层和垒层交替叠置，所述阱层由InGaN材料形成，所述垒层由GaN材料形成，在所述阱层与所述垒层之间设置由石墨烯层和MoS2二维功能材料形成的***层，MoS2层与石墨烯层交替周期排列，所述***层的总厚度小于等于5nm，所述MoS2层具有P型杂质掺杂；
(4)在所述多量子阱有源层上形成电子阻挡层、P型半导体层；
(5)依次刻蚀所述P型半导体层、所述电子阻挡层、所述多量子阱有源层至所述N型半导体层；
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