具有复合P型层的发光二极管及其制备方法

技术领域

本公开属于发光二极管领域，特别涉及一种具有复合P型层的发光二极管及其制备方法。

背景技术

发光二极管是一种常见的发光电子器件，被广泛应用于各个细分领域。

在相关技术中，GaN作为III-V族化合物半导体的典型代表，是继Si和GaAs之后出现的第三代半导体材料。其具有禁带宽度大、击穿电场强、电子迁移率高和热稳定性好等优异的特性。GaN基发光二极管的外延层主要包括N型层、多量子阱层和P型层。

然而，Mg是目前使用较普遍的空穴掺杂剂，由于Mg作为受主元素，它的激活效率很低，使得P型掺杂获得的空穴浓度比N型掺杂获得的电子浓度相差很大，导致P型层空穴迁移率较低，发光二极管的发光效率较低。

发明内容

本公开实施例提供了一种具有复合P型层的发光二极管及其制备方法，能够有效的提高发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：

一方面，本公开实施例提供了一种具有复合P型层的发光二极管，包括：

衬底，以及在所述衬底的一面依次生长的N型层、多量子阱层和复合P型层；

所述复合P型层包括依次生长的第一层、中间层和第二层；

所述第一层为非掺杂的N型Al

所述第二层为非掺杂的N型Al

所述中间层为掺Mg的GaN层。

在本公开的一种实现方式中，当所述第一层和所述第二层为非掺杂的N型Al

当所述第一层和所述第二层为非掺杂的Al

所述中间层的厚度为95～730nm。

在本公开的一种实现方式中，所述第一层和所述第二层的界面粗糙度为15～24。

在本公开的一种实现方式中，所述第一层、所述中间层和所述第二层周期性层叠，周期数为1～6。

在本公开的一种实现方式中，所述第一层和所述第二层的厚度均为1～2nm；

所述中间层的厚度为15～120nm。

另一方面，本公开实施例提供了一种具有复合P型层的发光二极管的制备方法，包括：

提供一衬底；

在所述衬底的一面依次生长N型层、多量子阱层和复合P型层；

所述复合P型层通过以下方式生长：

依次生长第一层、中间层和第二层，其中，

所述第一层为非掺杂的N型Al

所述第二层为非掺杂的N型Al

所述中间层为掺Mg的GaN层。

在本公开的一种实现方式中，生长所述第一层和所述第二层包括：

当所述第一层和所述第二层为非掺杂的N型Al

在本公开的一种实现方式中，生长所述第一层和所述第二层包括：

当所述第一层和所述第二层为非掺杂的Al

在本公开的一种实现方式中，生长所述中间层包括：

生长温度为800～980℃，生长时间为5～600s，生长厚度为95-730nm，生长压力为100～500torr。

在本公开的一种实现方式中，所述制备方法，还包括：

周期性的依次生长所述第一层、所述中间层和所述第二层，周期数为1～6。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

由于本公开实施例提供的发光二极管具备复合P型层，复合P型层包括第一层、中间层和第二层，而第一层和第二层为非掺杂的N型Al

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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他的附图。

图1是本公开实施例提供的一种发光二极管的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管的结构示意图；

图3是本公开实施例提供的一种发光二极管的制备方法的流程图；

图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管的制备方法的流程图。

图中各符号表示含义如下：

10、衬底；

20、N型层；

30、多量子阱层；

40、复合P型层；

410、第一层；420、中间层；430、第二层；

50、缓冲层；

60、非掺杂的GaN层；

70、电子阻挡层。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

发光二极管是一种常见的发光电子器件，被广泛应用于各个细分领域。

在相关技术中，GaN作为III-V族化合物半导体的典型代表，是继Si和GaAs之后出现的第三代半导体材料。其具有禁带宽度大、击穿电场强、电子迁移率高和热稳定性好等优异的特性。GaN基发光二极管的外延层主要包括N型层、多量子阱层和P型层。

然而，Mg是目前使用较普遍的空穴掺杂剂，由于Mg作为受主元素，它的激活效率很低，使得P型掺杂获得的空穴浓度比N型掺杂获得的电子浓度相差很大，导致P型层空穴迁移率较低，发光二极管的发光效率较低。

为了解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种具有复合P型层的发光二极管，图1为该发光二极管的结构示意图，参见图1，在本实施例中，该发光二极管包括：衬底10，以及在衬底10的一面依次生长的N型层20、多量子阱层30和复合P型层40。

复合P型层40包括依次生长的第一层410、中间层420和第二层430。第一层410为非掺杂的N型Al

由于本公开实施例提供的发光二极管具备复合P型层40，复合P型层40包括第一层410、中间层420和第二层430，而第一层410和第二层430为非掺杂的N型Al

在本实施例中，第一层410和第二层430的种类，能够根据实际需求进行选择，二者既能够相同，也能够不同。举例来说，第一层410和第二层430均为非掺杂的N型Al

表1

在其他实施例中，可以将非掺杂的N型In

继续参见图1，在本实施例中，当第一层410和第二层430为非掺杂的N型Al

在上述实现方式中，将第一层410和第二层430设计为如上厚度，既能够有效的保证第一层410和第二层430对于增大Mg的溶解度，降低Mg的激活能的效果，又能够避免厚度过大而导致生长效率降低。

在本实施例中，当第一层410和第二层430为非掺杂的Al

在上述实现方式中，由于第一层410和第二层430为非掺杂的Al

在本实施例中，中间层420的厚度为95～730nm。

在上述实现方式中，将中间层420设计为如上厚度，能够保证掺Mg的GaN层的厚度，并将复合P型层40的整体厚度控制在100～750nm。

在本实施例中，第一层410和第二层430的界面粗糙度为15～24。

将第一层410和第二层430的界面粗糙度设计为如上数值，保证了第一层410和第二层430能够形成具有N极性面凹凸不平的界面，Mg更容易替位Ga、Al或者In，降低Mg的形成能，增大Mg的溶解度。

在本实施例中，N型层20为重掺Si的N型GaN层，厚度为3～4um。

在本实施例中，多量子阱层30包括周期性生长的InGaN阱层和GaN垒层，周期数为5～12，InGaN阱层的厚度为2.5～4.5nm，GaN垒层的厚度为8～12nm。

在本实施例中，发光二极管还包括缓冲层50，缓冲层50位于衬底10朝向N型层20的一面。

通过在衬底10的一面生长缓冲层50，能够有效的解决晶格失配的问题，并且，在一定程度上还能够缓解外延层各薄膜中的应力。

示例性的，缓冲层50的厚度为20～30nm。

在本实施例中，发光二极管还包括非掺杂的GaN层60，非掺杂的GaN层60位于缓冲层50朝向N型层20的一面。

示例性的，非掺杂的GaN层60的厚度为2～3.5um。

在本实施例中，发光二极管还包括电子阻挡层70，电子阻挡层70位于多量子阱层朝向N型层20的一面。

示例性的，电子阻挡层70为P型AlGaN层，电子阻挡层70的厚度为100～450nm。

图2为本公开实施例提供的另一种具有复合P型层的发光二极管，其与图1所示的发光二极管的区别主要在于复合P型层40。

参见图2，在本实施例中，第一层410、中间层420和第二层430周期性层叠，周期数为1～6。

在本实施例中，将第一层410、中间层420和第二层430周期性层叠，更有利于破坏光线在发光二极管内部的全反射，并增加漫反射，从而增加发光二极管的出光效率。

示例性的，当第一层410、中间层420和第二层430周期性层叠，第一层410和第二层430的厚度均为1～2nm，中间层420的厚度为15～120nm。

当第一层410、中间层420和第二层430周期性层叠，将第一层410和第二层430设计为如上厚度，既能够有效的保证第一层410和第二层430对于增大Mg的溶解度，降低Mg的激活能的效果，又能够避免厚度过大而导致生长效率降低。

在相关技术中，传统发光二极管主要包括衬底，以及依次生在在衬底一面的N型层、发光层和P型层。将传统发光二极管作为对照组，经过实验三组实验，得到如下结果：

(1)、传统发光二极管电压(V)为2.46，亮度(MW)为8.86，ESD良率为96.6。

当第一层410为非掺杂的N型Al

(2)、传统发光二极管电压(V)为2.45，亮度(MW)为8.92，ESD良率为97.0。

当第一层410为非掺杂的N型In

(3)、传统发光二极管电压(V)为2.44，亮度(MW)为8.58，ESD良率为97.4。

当第一层410为非掺杂的N型Al

由此可见，本公开实施例提供的具有复合P型层的发光二极管，相较于传统发光二极管来说，亮度和ESD良率均有正向提升，电压基本相当。

图3为本公开实施例提供的一种具有复合P型层的发光二极管的制备方法的流程图，该制备方法用于制备图1所示的发光二极管，结合图3，在本实施例中，该制备方法包括：

步骤301：提供一衬底10。

步骤302：在衬底10的一面生长N型层20。

步骤303：在N型层20的一面生长多量子阱层30。

步骤304：在多量子阱层30的一面生长第一层410，第一层410为非掺杂的N型Al

步骤305：在第一层410的一面生长中间层420，中间层420为掺Mg的GaN层。

步骤306：在中间层420的一面生长第二层430，第二层430为非掺杂的N型Al

通过步骤304-步骤306生长得到复合P型层40。

通过本公开实施例提供的制备方法所制备出的发光二极管包括复合P型层40，复合P型层40包括第一层410、中间层420和第二层430，而第一层410和第二层430为非掺杂的N型Al

图4为本公开实施例提供的另一种具有复合P型层的发光二极管的制备方法的流程图，该制备方法用于制备图1和图2所示的发光二极管，结合图4，在本实施例中，该制备方法包括：

步骤401：提供一衬底10。

示例性的，将衬底10升温至1000～1200℃进行表面清洁处理，持续5～10min。

步骤402：在衬底10的一面生长缓冲层50。

在步骤402中，将生长温度设置为750～900℃，生长压力设置为100～300torr，生长厚度设置为20～30nm。

通过在衬底10的一面生长缓冲层50，能够有效的解决晶格失配的问题，并且，在一定程度上还能够缓解外延层各薄膜中的应力。

步骤403：在缓冲层50的一面生长非掺杂的GaN层60。

在步骤403中，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为2～3.5um。

步骤404：在非掺杂的GaN层60的一面生长N型层20。

在步骤404中，N型层20为重掺Si的n型GaN层，将生长温度设置为1000～1200℃，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为3～4um。

步骤405：在N型层20的一面生长多量子阱层30。

在步骤405中，周期性的生长InGaN阱层和GaN垒层，周期数为5～12。其中，InGaN阱层和GaN垒层的生长温度设置为720～950℃，生长压力设置为100～500torr，InGaN阱层的生长厚度设置为2.5～4.5nm，GaN垒层的生长厚度设置为8～12nm。

步骤406：在多量子阱层30的一面生长电子阻挡层70。

在步骤406中，电子阻挡层70为P型AlGaN层，将生长温度设置为700～800℃，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为100～450nm。

步骤407：在电子阻挡层70的一面生长第一层410。

在步骤407中，第一层410为非掺杂的N型Al

示例性的，当第一层410为非掺杂的N型Al

示例性的，当第一层410为非掺杂的Al

步骤408：在第一层410的一面生长中间层420。

在步骤408中，中间层420为掺Mg的GaN层，生长温度为800～980℃，生长时间为5～600s，生长厚度为95-730nm，生长压力为100～500torr。

步骤409：在中间层420的一面生长第二层430。

在步骤409中，第二层430为非掺杂的N型Al

示例性的，当第二层430为非掺杂的N型Al

示例性的，当第二层430为非掺杂的Al

在一些示例中，复合P型层40仅包括第一层410、中间层420和第二层430(参见图1)。在此情况下，不执行步骤410。在另一些示例中，复合P型层40包括周期性层叠的第一层410、中间层420和第二层430(参见图2)。在此情况下，执行步骤410。

步骤410：周期性的依次生长第一层410、中间层420和第二层430，周期数为1～6。

在步骤410中，第一层410的生长方式与步骤407相同，中间层420的生长方式与步骤408相同，第二层430的生方式与步骤409相同，在此不再赘述。

通过本公开实施例提供的制备方法所制备出的发光二极管包括复合P型层40，复合P型层40包括第一层410、中间层420和第二层430，而第一层410和第二层430为非掺杂的N型Al

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