具有电子阻挡层的发光二极管及其制备方法

技术领域

本公开属于半导体器件领域，特别涉及一种具有电子阻挡层的发光二极管及其制备方法。

背景技术

发光二极管，是一种常见的功能性电子器件，被广泛应用于各个细分领域。

在相关技术中，发光二极管具有第一半导体层、有源层和第二半导体层，第一半导体层提供的电子和第二半导体层提供的空穴在有源层处复合发光。由于P型掺杂Mg的活化困难，所以空穴浓度较低，注入空穴的效率低。又由于电子浓度高且扩散长度更长，所以易发生电子溢流出有源层至第二半导体层。为了阻挡电子泄漏，会在有源层和第二半导体层之间插入电子阻挡层。

然而，由于有源层的Al组分过高，导致有源层的导带与电子阻挡层的导带差过小，使得电子阻挡层无法有效的阻挡电子，从而形成强烈的电子溢流现象，导致电子与空穴的复合效率偏低。

发明内容

本公开实施例提供了一种具有电子阻挡层的发光二极管及其制备方法，能够有效的提高电子与空穴的复合效率。所述技术方案如下：

一方面，本公开实施例提供了一种具有电子阻挡层的发光二极管，所述发光二极管包括：依次叠设的第一半导体层、有源层、电子阻挡层和第二半导体层，所述电子阻挡层包括依次叠设的第一AlGaN层和AlInGaN层。

在本公开的一种实现方式中，所述第一AlGaN层的生长厚度为0.1nm～50nm。

在本公开的一种实现方式中，所述第一AlGaN层的Al组分百分数为90～100％，所述第一AlGaN层的Mg掺杂浓度为1ⅹ10

在本公开的一种实现方式中，所述AlInGaN层的生长厚度为1nm～10nm。

在本公开的一种实现方式中，所述AlInGaN层的Al组分百分数为70～100％，所述AlInGaN层的In组分百分数为10％～50％。

在本公开的一种实现方式中，所述发光二极管还包括第二AlGaN层；

所述第二AlGaN层位于所述第一AlGaN层和所述AlInGaN层之间。

在本公开的一种实现方式中，所述第二AlGaN层的生长厚度为1nm～50nm。

在本公开的一种实现方式中，所述第二AlGaN层的Al组分百分数为85～100％，所述第二AlGaN层的Mg掺杂浓度为1ⅹ10

在本公开的一种实现方式中，所述第一AlGaN层、所述第二AlGaN层和所述AlInGaN层的Al组分含量依次减少。

另一方面，本公开实施例提供了一种具有电子阻挡层的发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：

依次生长第一半导体层、有源层、电子阻挡层和第二半导体层；

生长所述电子阻挡层包括：

依次生长第一AlGaN层和AlInGaN层。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本公开实施例提供的发光二极管包括电子阻挡层，所述电子阻挡层包括依次叠设的第一AlGaN层和AlInGaN层。通过第一AlGaN层和AlInGaN层，能够有效的阻挡电子从有源层溢出到第二半导体层。并且，AlInGaN层能够起到降低Mg的激活能的作用，避免了因有源层的高Al组分，而导致Mg的激活能升高，从而减少未活化的Mg，提高活化Mg的浓度，从而促进电子与空穴的复合效率。

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具有电子阻挡层的发光二极管的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的一种具有电子阻挡层的发光二极管的制备方法的流程图；

图3是本公开实施例提供的另一种具有电子阻挡层的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、第一半导体层；

20、有源层；

30、电子阻挡层；

310、第一AlGaN层；320、AlInGaN层；330、第二AlGaN层；

40、第二半导体层；

50、缓冲层；

60、AlN本征层；

70、P型GaN接触层；

80、衬底。

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。

本公开实施例提供了一种发光二极管，该发光二极管为深紫外发光二极管，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，该发光二极管包括第一半导体层10、有源层20、电子阻挡层30和第二半导体层40，电子阻挡层30包括依次叠设的第一AlGaN层310和AlInGaN层320。

本公开实施例提供的发光二极管包括电子阻挡层30，电子阻挡层30包括依次叠设的第一AlGaN层310和AlInGaN层320。通过第一AlGaN层310和AlInGaN层320，能够有效的阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40。并且，AlInGaN层320能够起到降低Mg的激活能的作用，避免了因有源层20的高Al组分，而导致Mg的激活能升高，从而减少未活化的Mg，提高活化Mg的浓度，从而促进电子与空穴的复合效率。

在一些示例中，发光二极管包括衬底80，第一半导体层10、有源层20、电子阻挡层30和第二半导体层40依次生长在衬底80的一面。

当然，在另一些示例中，发光二极管也能够不具有衬底80，本公开对此不作限制。

在本实施例中，第一AlGaN层310的生长厚度为0.1nm～50nm。

在上述实现方式中，将第一AlGaN层310的生长厚度设计为上述数值，既能够保证第一AlGaN层310的功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。

示例性的，第一AlGaN层310的Al组分百分数为90～100％，第一AlGaN层310的Mg掺杂浓度为1ⅹ10

在上述实现方式中，将第一AlGaN层310的Al组分百分数设计为上述数值，能够使得第一AlGaN层310的Al组分百分数较高，势垒高度也较高，有利于阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40，同时也有利于空穴从第二半导体层40迁移到有源层20。

在本实施例中，AlInGaN层320的生长厚度为1nm～10nm。

在上述实现方式中，将AlInGaN层320的生长厚度设计为上述数值，既能够保证AlInGaN层320的功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。

示例性的，AlInGaN层320的Al组分百分数为70～100％，AlInGaN层320的In组分百分数为10％～50％。

在上述实现方式中，AlInGaN层320为非掺Mg层，将AlInGaN层320的Al组分百分数设计为上述数值，能够使得AlInGaN层320的Al组分百分数较低(相较于第一AlGaN层310)，势垒高度也较低(相较于第一AlGaN层310)，有利于阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40，同时也有利于空穴从第二半导体层40迁移到有源层20。

在本实施例中，发光二极管还包括第二AlGaN层330，第二AlGaN层330位于第一AlGaN层310和AlInGaN层320之间。

将第二AlGaN层330设置在第一AlGaN层310和AlInGaN层320之间，能够利用第一AlGaN层310和第二AlGaN层330一同阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40，有效的提高了电子阻挡层30的阻挡电子的效果。

示例性的，第二AlGaN层330的生长厚度为1nm～50nm。

在上述实现方式中，将第二AlGaN层330的生长厚度设计为上述数值，既能够保证第二AlGaN层330的功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。

示例性的，第二AlGaN层330的Al组分百分数为85～100％，第二AlGaN层330的Mg掺杂浓度为1ⅹ10

在上述实现方式中，将第二AlGaN层330的Al组分百分数设计为上述数值，能够使得第二AlGaN层330的Al组分百分数处于中间数值(相较于第一AlGaN层310和AlInGaN层320)，势垒高度也处于中间数值(相较于第一AlGaN层310和AlInGaN层320)，有利于阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40，同时也有利于空穴从第二半导体层40迁移到有源层20。

在本实施例中，第一AlGaN层310、第二AlGaN层330和AlInGaN层320的Al组分含量依次减少。

在上述实现方式中，如此设计第一AlGaN层310、第二AlGaN层330和AlInGaN层320的Al组分含量，使得第一AlGaN层310、第二AlGaN层330和AlInGaN层320的势垒高度由高到低依次减小，这样更有效的阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40，同时也有利于空穴从第二半导体层40迁移到有源层20。

在本实施例中，第一AlGaN层310为Al

经过实验，本公开实施例提供的发光二极管，相较于相关技术中的发光二极管来说，在同等的实验条件下，测试电流均为40mA，结果如表1所示。

由表1可知，对比例样品的亮度低于实施例样品，且对比例样品的工作电压高于实施例，从而说明，本公开实施例提供的发光二极管，其电子阻挡层30利用Al组分百分数渐变及插入AlInGaN层320的方式，起到了有效阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40，同时也有利于空穴从第二半导体层40迁移到有源层20的作用，同时AlInGaN层320起到降低Mg的激活能，提高活化Mg的浓度的作用，从而提高了发光二极管的发光亮度，同时还能降低电压。

继续参见图1，在本实施例中，第一半导体层10为N型AlGaN电子注入层，第一半导体层10的生长厚度为500nm～5000nm，第一半导体层10的Al组分百分数为70～100％，第一半导体层10的Si掺杂浓度为1ⅹ10

在本实施例中，有源层20为多量子阱结构，有源层20包括依次周期性叠设的InGaN阱层和GaN垒层。

示例性的，单层有源层20的InGaN阱层的生长厚度为0.1nm～5nm，Al组分百分数为70～90％。

示例性的，单层有源层20的GaN垒层的生长厚度为5nm～50nm，Al组分百分数为80～100％。

在上述实现方式中，周期性层叠的InGaN阱层和GaN垒层，能够加强对载流子的限制作用，提高其辐射复合效率。另外，有源层20中由于富In的生长条件或者In组分的不均匀所形成的富In量子点，对载流子也有很好的限制作用，使得载流子很难被非辐射复合中心俘获，从而提高辐射复合的效率。

另外，将有源层20的生长厚度设计为上述数值，既能够保证有源层20的InGaN阱层和GaN垒层功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。

在本实施例中，第二半导体层40为P型AlGaN空穴注入层，第二半导体层40的生长厚度为1nm～50nm，第二半导体层40的Al组分百分数为50-100％，第二半导体层40的Mg掺杂浓度为1ⅹ10

当外延层中有电流通过时，第二半导体层40的空穴与第一半导体层10的电子会向有源层20移动，二者在有源层20进行复合发光。

另外，将第二半导体层40的生长厚度设计为上述数值，既能够保证第二半导体层40功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。

也就是说，第一半导体层1020为N型层，第二半导体层4050为P型层，以形成P-N结。

在本实施例中，发光二极管还包括缓冲层50，缓冲层50生长在衬底80的朝向第一半导体层10的一面，也即位于衬底80和第一半导体层10之间。

通过缓冲层50能够有效的减少衬底80和第一半导体层10之间的晶格失配问题，从而减少位错和裂纹的产生。

示例性的，缓冲层50的生长厚度为10nm～50nm。

在本实施例中，发光二极管还包括AlN本征层60，AlN本征层60生长在缓冲层50背向衬底80的一面，也即位于缓冲层50和第一半导体层10之间。

示例性的，AlN本征层60为生长厚度为500nm～4000nm。

在本实施例中，发光二极管还包括P型GaN接触层70，P型GaN接触层70生长在P型AlGaN空穴注入层背向衬底80的一侧。

示例性的，P型GaN接触层70的生长厚度为1nm～20nm，P型GaN接触层70采用Mg作为P型掺杂剂。

图2为本公开实施例提供的一种具有电子阻挡层的发光二极管的制备方法的流程图，参见图2，在本实施例中，该制备方法包括：

步骤201：依次生长第一半导体层10、有源层20、电子阻挡层30和第二半导体层40。

在步骤201中，生长电子阻挡层30包括：依次生长第一AlGaN层310和AlInGaN层320。

通过本公开实施例提供的制备方法，能够制备出具备电子阻挡层30的发光二极管。电子阻挡层30包括依次叠设的第一AlGaN层310和AlInGaN层320。通过第一AlGaN层310和AlInGaN层320，能够有效的阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40。并且，AlInGaN层320能够起到降低Mg的激活能的作用，避免了因有源层20的高Al组分，而导致Mg的激活能升高，从而减少未活化的Mg，提高活化Mg的浓度，从而促进电子与空穴的复合效率。

图3为本公开实施例提供的另一种具有电子阻挡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，参见图3，在本实施例中，该制备方法包括：

步骤301：提供一衬底80。

示例性的，将衬底80升温至1000～1200℃进行表面清洁处理，持续5～10min，之后将衬底80置于金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备中。

步骤302：在衬底80的一面生长缓冲层50。

在步骤302中，将缓冲层50的生长温度设置为400～800℃，生长出生长厚度为10nm～50nm的缓冲层50。

在上述实现方式中，通过缓冲层50能够有效的减少衬底80和第一半导体层10之间的晶格失配问题，从而减少位错和裂纹的产生。

步骤303：在缓冲层50的一面生长AlN本征层60。

在步骤303中，将AlN本征层60的生长温度设置为1200～1400℃，生长出生长厚度为500nm～4000nm的AlN本征层60。

步骤304：在AlN本征层60的一面生长第一半导体层10。

在步骤304中，第一半导体层10为N型AlGaN电子注入层，将第一半导体层10的生长温度设置为800～1200℃，生长出厚度为500nm～5000nm的第一半导体层10。

示例性的，第一半导体层10的Al组分百分数为70～100％，第一半导体层10的Si掺杂浓度为1ⅹ10

步骤305：在第一半导体层10的一面生长有源层20。

在步骤305中，有源层20为多量子阱结构，有源层20的生长温度设置为700～1100℃。有源层20包括依次周期性叠设的InGaN阱层和GaN垒层。

示例性的，单层有源层20的InGaN阱层的生长厚度为0.1nm～5nm，Al组分百分数为70～90％。

示例性的，单层有源层20的GaN垒层的生长厚度为5nm～50nm，Al组分百分数为80～100％。

在上述实现方式中，周期性层叠的InGaN阱层和GaN垒层，能够加强对载流子的限制作用，提高其辐射复合效率。另外，有源层20中由于富In的生长条件或者In组分的不均匀所形成的富In量子点，对载流子也有很好的限制作用，使得载流子很难被非辐射复合中心俘获，从而提高辐射复合的效率。

步骤306：在有源层20的一面生长电子阻挡层30。

在本实施例中，步骤306包括以下步骤：

步骤3061：生长第一AlGaN层310。

在步骤3061中，第一AlGaN层310的生长温度设置为700～1100℃，生长出厚度为0.1nm～50nm的第一AlGaN层310。

示例性的，第一AlGaN层310的Al组分百分数为90～100％，第一AlGaN层310的Mg掺杂浓度为1ⅹ10

步骤3062：生长第二AlGaN层330。

在步骤3062中，第二AlGaN层330的生长温度设置为700～1100℃，生长出厚度为1nm～50nm的第二AlGaN层330。

示例性的，第二AlGaN层330的Al组分百分数为85～100％，第二AlGaN层330的Mg掺杂浓度为1ⅹ10

步骤3063：生长AlInGaN层320。

在步骤3063中，AlInGaN层320的生长温度设置为700～1100℃，生长出厚度为1nm～10nm的AlInGaN层320。

示例性的，AlInGaN层320的Al组分百分数为70～100％，AlInGaN层320的In组分百分数为10％～50％。

在本实施例中，电子阻挡层30包括依次叠设的第一AlGaN层310、第二AlGaN层330和AlInGaN层320。通过第一AlGaN层310、第二AlGaN层330和AlInGaN层320，能够有效的阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40。并且，AlInGaN层320能够起到降低Mg的激活能的作用，避免了因有源层20的高Al组分，而导致Mg的激活能升高，从而减少未活化的Mg，提高活化Mg的浓度，从而促进电子与空穴的复合效率。

示例性的，第一AlGaN层310、第二AlGaN层330和AlInGaN层320的Al组分含量依次减少。

如此设计，使得第一AlGaN层310、第二AlGaN层330和AlInGaN层320的势垒高度由高到低依次减小，这样更有效的阻挡电子从有源层20溢出到第二半导体层40，同时也有利于空穴从第二半导体层40迁移到有源层20。

示例性的，第一AlGaN层310中Mg掺杂浓度，小于第二AlGaN层330中Mg掺杂浓度。

步骤307：在电子阻挡层30的一面生长第二半导体层40。

在步骤307中，第二半导体层40为P型AlGaN空穴注入层，将第二半导体层40的生长温度设置为700～1100℃，生长出厚度为1nm～50nm的第二半导体层40。

示例性的，第二半导体层40的Al组分百分数为50-100％，第二半导体层40的Mg掺杂浓度为1ⅹ10

当外延层中有电流通过时，第二半导体层40的空穴与第一半导体层10的电子会向有源层20移动，二者在有源层20进行复合发光。

步骤308：在第二半导体层40的一面生长P型GaN接触层70。

在步骤308中，将P型GaN接触层70的生长温度设置为400～900℃，生长出厚度为1nm～20nm的P型GaN接触层70，P型GaN接触层70的P型掺杂剂为Mg。

除非另作定义，此处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。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”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。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“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，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则相对位置关系也可能相应地改变。

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