改善发光效率的发光二极管及其制备方法
文献发布时间:2023-06-19 18:46:07
技术领域
本公开涉及光电子制造技术领域,特别涉及一种改善发光效率的发光二极管及其制备方法。
背景技术
发光二极管(英文:Light Emitting Diode,简称:LED)作为光电子产业中极具影响力的新产品,具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点,广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。LED的核心结构是外延片,外延片的制作对LED的光电特性有着较大的影响。
外延片通常包括:衬底、n型层、发光层和p型层,n型层、发光层和p型层依次层叠在衬底上。n型层中的电子会向发光层迁移,p型层中的空穴会向发光层迁移,空穴和电子在发光层复合后发光。因此,让更多的空穴和电子在发光层复合,对提升发光二极管的发光效率具有重要意义。
发明内容
本公开实施例提供了一种改善发光效率的发光二极管及其制备方法,能提高电子空穴复合效率,提升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发光二极管的制备方法,所述制备方法包括:提供一衬底;在所述衬底上生长n型层;在所述n型层上交替生长多个量子阱层和多个量子垒层,形成发光层;在所述发光层上生长p型层;其中,所述量子阱层采用以下方式形成:形成第一InGaN层;向反应腔通入氢气,在所述第一InGaN层上形成第二InGaN层;停止通入氢气,在所述第二InGaN层上形成第三InGaN层。
可选地,在向反应腔通入氢气时,控制氢气的流量为5sccm至30sccm,且通入时长为5s至20s。
可选地,所述形成第一InGaN层包括:向反应腔内通入氨气、乙基镓和三甲基铟,通入时长为30s至60s;所述在所述第一InGaN层上形成第二InGaN层还包括:通入氢气的同时向反应腔内通入氨气、乙基镓和三甲基铟,通入时长为5s至20s;所述在所述第二InGaN层上形成第三InGaN层包括:向反应腔内通入氨气、乙基镓和三甲基铟,通入时长为30s至60s。
可选地,所述量子阱层的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
可选地,所述量子垒层的生长温度为850℃至950℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
可选地,所述在所述n型层上交替生长多个量子阱层和多个量子垒层之前,还包括:在所述n型层上生长浅阱层,所述浅阱层包括多个InGaN势阱层和多个GaN势垒层,所述多个InGaN势阱层和所述多个GaN势垒层交替层叠。
另一方面,本公开实施例提供了一种发光二极管,所述发光二极管包括依次层叠的衬底、n型层、发光层和p型层;所述发光层包括多个量子阱层和多个量子垒层,所述多个量子阱层和所述多个量子垒层交替层叠,每个所述量子阱层均包括依次层叠的第一InGaN层、第二InGaN层和第三InGaN层,所述第二InGaN层中的氢元素的含量大于所述第一InGaN层中氢元素的含量和/或所述第三InGaN层中氢元素的含量。
可选地,所述第二InGaN层中的氢元素的含量大于5.5×10
可选地,所述第二InGaN层中的氢元素的含量不小于1×10
可选地,所述发光层包括8至12个所述量子阱层和8至12个所述量子垒层。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
本公开实施例的发光二极管中,在生长量子阱层时,先形成第一InGaN层;然后向反应腔通入氢气,在第一InGaN层上形成第二InGaN层;接着,停止通入氢气,在第二InGaN层上形成第三InGaN层。在生长第二InGaN层时,通入了氢气。这样能够有效地减少富In区中的丘状物的数量和大小以及分散V型坑的密度,减少载流子非辐射复合,提高发光效率。
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一种单个量子阱层的生长参数示意图。
图中各标记说明如下:
10、衬底;
20、n型层;
30、发光层;31、量子阱层;311、第一InGaN层;312、第二InGaN层;313、第三InGaN层;32、量子垒层;
40、p型层;41、低温p型GaN层;42、p型AlGaN层;43、高温p型GaN层;44、p型欧姆接触层;
51、缓冲层;52、非掺杂GaN层;
60、浅阱层;61、In
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。
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。如图1所示,该发光二极管包括依次层叠的衬底10、n型层、发光层30和p型层40。
如图1所示,发光层30包括多个量子阱层31和多个量子垒层32,多个量子阱层31和多个量子垒层32交替层叠,每个量子阱层31均包括依次层叠的第一InGaN层311、第二InGaN层312和第三InGaN层313,第二InGaN层312中的氢元素的含量大于第一InGaN层311中氢元素的含量和/或第三InGaN层313中氢元素的含量。
本公开实施例的发光二极管包括依次层叠的衬底10、n型层、发光层30和p型层40,发光层30包括交替层叠的量子阱层31和量子垒层32。其中,量子阱层31包括依次层叠的第一InGaN层311、第二InGaN层312和第三InGaN层313。其中,在生长第二InGaN层312时,可以通入氢气,以使得第二InGaN层312中的氢元素的含量大于第一InGaN层311中氢元素的含量和/或第三InGaN层313中氢元素的含量。这样能够有效地减少富In区中的丘状物的数量和大小以及分散V型坑的密度,减少载流子非辐射复合,提高发光效率。
可选地,衬底10为蓝宝石衬底10、硅衬底10或碳化硅衬底10。衬底10可以为平片衬底10,也可以为图形化衬底10。
作为示例,本公开实施例中,衬底10为蓝宝石衬底10。蓝宝石衬底10为一种常用衬底10,技术成熟,成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底10或蓝宝石平片衬底10。
可选地,n型层可以是n型GaN层。n型层的厚度为1.5μm至3.5μm。其中,n型层的掺杂剂为硅烷。
可选地,p型层40可以包括依次层叠在发光层30上的低温p型GaN层41、p型AlGaN层42、高温p型GaN层43和p型欧姆接触层44。其中,p型层40的掺杂剂为二茂镁。
示例性地,低温p型GaN层41可以是在温度为700℃至800℃下生长的GaN层;高温p型GaN层43可以是在温度900℃至1050℃下生长的GaN层。低温p型GaN层41和高温p型GaN层43均为Mg掺杂。
其中,低温p型GaN层的厚度可以是30nm至120nm,例如,低温p型GaN层的厚度可以是100nm。
其中,高温p型GaN层43的厚度可以是50nm至150nm,例如,高温p型GaN层43的厚度可以是100nm。
在本公开实施例中,p型AlGaN层42作为电子阻挡层,用于阻挡电子进入p型层40。p型AlGaN层42和p型欧姆接触层44均为Mg掺杂。
可选地,p型AlGaN层42的厚度可以为50nm至150nm。作为示例,本公开实施例中,p型AlGaN层42的厚度为80nm。
若p型AlGaN层42的厚度过薄,会降低对电子的阻挡作用,若p型AlGaN层42的厚度过厚,则会增加p型AlGaN层42对光的吸收,从而导致LED的发光效率降低。
可选地,p型欧姆接触层44的厚度可以为3nm至10nm。作为示例,本公开实施例中,p型欧姆接触层44的厚度为8nm。
若p型欧姆接触层44的厚度过薄,会影响对外延层与电极的电流接触,若p型欧姆接触层44的厚度过厚,则会增加p型欧姆接触层44对光的吸收,从而导致LED的发光效率降低。
本公开实施例中,发光层30中的量子阱层31的厚度为2nm至5nm。
通过控制量子阱层31的厚度在上述范围内,可以避免量子阱层31的厚度的厚度设置过薄而起不到满足电子空穴复合的目的;还可以避免量子阱层31的厚度设置过厚而增加了制作成本。
示例性地,量子阱层31的厚度可以是3nm,其中,第一InGaN层311的厚度是1nm,第二InGaN层312的厚度是1nm,第三InGaN层313的厚度是1nm。
可选地,量子垒层32可以是n型GaN量子垒层32的厚度为5nm至15nm。
通过控制n型GaN量子垒层32的厚度在上述范围内,可以避免n型GaN量子垒层32的厚度设置过薄而起不到满足电子空穴复合的目的;还可以避免n型GaN量子垒层32的厚度设置过厚而增加了制作成本。
示例性地,n型GaN量子垒层32的厚度为10nm。
可选地,发光层30包括8至12个量子阱层31和8至12个量子垒层32。
通过控制量子阱层31和量子垒层32的层数在上述范围内,可以避免量子阱层31和量子垒层32的层数设置过少,而导致发光层30的厚度过小,起不到满足电子空穴复合的目的;还可以避免发光层30的厚度设置过厚而增加了制作成本。
示例性地,量子阱层31的层数可以是10层,量子垒层32的层数可以是10层。
需要说明的是,图1中仅示出了发光层30中的部分结构,并不用于限制量子阱层31和量子垒层32交替层叠的周期数。
可选地,第一InGaN层311和第三InGaN层313中氢元素的含量为5.5×10
示例性地,第一InGaN层311和第三InGaN层313中氢元素的含量为6×10
可选地,第二InGaN层312中的氢元素的含量大于5.5×10
示例性地,第二InGaN层312中的氢元素的含量为7×10
可选地,第二InGaN层312中的氢元素的含量不小于1×10
示例性地,第二InGaN层312中的氢元素的含量为1.1×10
这样控制第二InGaN层中氢元素的含量高于第一InGaN层和第三InGaN层中的氢元素的含量,能够有效地减少富In区中的丘状物的数量和大小以及分散V型坑的密度,减少载流子非辐射复合,提高发光效率。
可选地,如图1所示,在衬底10和p型层40之间还包括缓冲层51和非掺杂GaN层52,缓冲层51和非掺杂GaN层52依次层叠在衬底10上。
本公开实施例中,缓冲层51可以是低温GaN层,低温GaN层是在温度为500℃至650℃之间生长形成的GaN层。
其中,缓冲层51的厚度可以是2nm至8nm。示例性地,缓冲层51的厚度可以是5nm。
通过将缓冲层51的厚度设置在上述范围内,可以避免缓冲层51的厚度过薄,而降低在较薄的缓冲层51上生长的外延层的晶体质量;还可以避免缓冲层51的厚度过厚,则会增加缓冲层51对光的吸收,从而导致外延片的发光效率降低。
本公开实施例中,在缓冲层51和n型层之间还生长有一层非掺杂GaN层52,相较于衬底10,由于非掺杂GaN层52的晶体结构与n型层相似,通过设置非掺杂GaN层52作为过渡层,能提升后续外延层的晶体质量。
其中,非掺杂GaN层52的厚度为1μm至2μm。示例性地,非掺杂GaN层52的厚度为1.5μm。
通过将非掺杂GaN层52的厚度设置在上述范围内,可以避免非掺杂GaN层52的厚度过薄,而起不到过渡的作用,降低生长的外延层的晶体质量;还可以避免非掺杂GaN层52的厚度过厚,则会增加非掺杂GaN层52对光的吸收,从而导致外延片的发光效率降低。
可选地,如图1所示,在n型层与发光层30之间还包括浅阱层60。
其中,浅阱层60可以包括5至20个依次交叠的In
示例性地,In
示例性地,GaN势垒层62的厚度为10nm至30nm,例如,GaN势垒层62的厚度为20nm。
上述实现方式中,浅阱层60采用多层依次交替层叠的In
图2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。该方法用于制备图1所示的外延片。如图2所示,该制备方法包括:
S11:提供一衬底。
S12:在衬底上生长n型层。
S13:在n型层上生长发光层。
其中,发光层包括多个量子阱层和多个量子垒层,多个量子阱层和多个量子垒层交替层叠,每个量子阱层均包括依次层叠的第一InGaN层、第二InGaN层和第三InGaN层,在生长第二InGaN层时,通入氢气。
S14:在发光层上生长p型层。
该制备方法制备的发光二极管中,在生长量子阱层时,先形成第一InGaN层;然后向反应腔通入氢气,在第一InGaN层上形成第二InGaN层;接着,停止通入氢气,在第二InGaN层上形成第三InGaN层。在生长第二InGaN层时,通入了氢气,以让第二InGaN层中的氢元素的含量大于第一InGaN层中氢元素的含量和/或第三InGaN层中氢元素的含量。这样能够有效地减少富In区中的丘状物的数量和大小以及分散V型坑的密度,减少载流子非辐射复合,提高发光效率。
在步骤S11中,衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。衬底可以为平片衬底,也可以为图形化衬底。
作为示例,本公开实施例中,衬底为蓝宝石衬底。蓝宝石衬底为一种常用衬底,技术成熟,成本低。具体可以为图形化蓝宝石衬底或蓝宝石平片衬底。
在步骤S11中,可以将蓝宝石衬底在1000℃至1200℃氢气气氛里进行高温清洁处理5min至20min,然后进行氮化处理。
在步骤S11中,可以对蓝宝石衬底进行预处理,将蓝宝石衬底置于MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,金属有机化合物化学气相沉积)反应腔中,对蓝宝石衬底进行烘烤处理12分钟至18分钟。作为示例,本公开实施例中,对蓝宝石衬底进行烘烤处理15分钟。
具体地,烘烤温度可以为1000℃至1200℃,烘烤时MOCVD反应腔内的压力可以为100mbar至200mbar。
在步骤S12之前还可以包括以下几步:
第一步,在衬底上生长缓冲层。
本公开实施例中,缓冲层可以是低温GaN层,低温GaN层是在温度为500℃至650℃之间生长形成的GaN层。
其中,缓冲层的厚度可以是2nm至8nm。示例性地,缓冲层的厚度可以是5nm。
具体地,蓝宝石衬底高温处理完成后,将温度下降到500℃至650℃,先生长一层厚度为2nm至8nm的低温GaN缓冲层,然后温度升高至1000℃至1100℃,退火3min至10min,生长压力为50Torr至200Torr,V/III为50至300,转速200r/min至600r/min。
第二步,在缓冲层上生长非掺杂GaN层。
本公开实施例中,在缓冲层和n型层之间还生长有一层非掺杂GaN层,相较于衬底,由于非掺杂GaN层的晶体结构与n型层相似,通过设置非掺杂GaN层作为过渡层,能提升后续外延层的晶体质量。
其中,非掺杂GaN层的厚度为1μm至2μm。示例性地,非掺杂GaN层的厚度为1.5μm。
具体地,低温GaN缓冲层生长结束后,将温度调节至1000℃至1200℃,生长一层外延生长厚度为1μm至2μm的非掺杂GaN层,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为200至3000。
步骤S12可以包括:在非掺杂GaN层上生长n型层。
可选地,n型层可以是n型GaN层。n型层的厚度为1.5μm至3.5μm。其中,n型层的掺杂剂为硅烷。
具体地,非掺杂GaN层生长结束后,生长一层Si掺杂浓度稳定的n型GaN层,厚度为1.5μm至3.5μm,生长温度为950℃至1150℃,生长压力为300Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为400至3000。
在步骤S13之前还包括:在n型层上生长浅阱层。
其中,浅阱层可以包括5至20个依次交叠的In
示例性地,In
示例性地,GaN势垒层的厚度为10nm至30nm,例如,GaN势垒层的厚度为20nm。
具体地,n型掺杂GaN层生长结束后,生长浅阱层。其中,In
步骤S13可以包括:在浅阱层上生长发光层。
具体地,浅阱层生长结束后,生长交替层叠的量子阱层和量子垒层。
其中,量子阱层为In
图3是本公开实施例提供的一种单个量子阱层的生长参数示意图。如图3所示,在生长第一InGaN层时,向反应腔内通入氨气、乙基镓和三甲基铟,通入时长为30s至60s。
在生长第二InGaN层时,向反应腔内通入氢气,控制氢气的流量为5sccm至30sccm,且通入时长为5s至20s。
其中,通入氢气的同时向反应腔内通入氨气、乙基镓和三甲基铟,通入时长为5s至20s。
在生长第三InGaN层时,向反应腔内通入氨气、乙基镓和三甲基铟,通入时长为30s至60s。
其中,生长量子阱层时,控制反应腔内的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000,厚度为2nm至5nm。
示例性地,量子阱层的厚度可以是3nm。其中,第一InGaN层的厚度是1nm,第二InGaN层的厚度是1nm,第三InGaN层的厚度是1nm。
本公开实施例中,量子垒层可以是n型GaN量子垒层。
在生长量子垒层时,控制反应腔内的生长温度为850℃至950℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000,厚度为5nm至15nm。
示例性地,n型GaN量子垒层的厚度为10nm。
可选地,量子阱层的层数和量子垒层的层数均为8至12层。示例性地,量子阱层的层数和量子垒层的层数均为10。
步骤S14可以包括:在发光层上生长p型层。
可选地,p型层的厚度为30nm至120nm。其中,p型层的掺杂剂为二茂镁。
其中,p型层可以包括依次层叠在发光层上的低温p型GaN层、p型AlGaN层、高温p型GaN层和p型欧姆接触层。低温p型GaN层和高温p型GaN层均为Mg掺杂。
其中,低温p型GaN层的厚度可以是30nm至120nm,例如,低温p型GaN层的厚度可以是100nm。
其中,高温p型GaN层的厚度可以是50nm至150nm,例如,低高温p型GaN层的厚度可以是100nm。
在本公开实施例中,p型AlGaN层作为电子阻挡层,用于阻挡电子进入p型层。p型AlGaN层和p型欧姆接触层均为Mg掺杂。
可选地,p型AlGaN层的厚度可以为50nm至150nm。作为示例,本公开实施例中,p型AlGaN层的厚度为80nm。
可选地,p型欧姆接触层的厚度可以为3nm至10nm。作为示例,本公开实施例中,p型欧姆接触层的厚度为8nm。
具体地,发光层生长结束后,生长厚度为30nm至120nm的低温p型GaN层,生长温度为700℃至800℃,生长时间为3min至15min,压力为100Torr至600Torr,Ⅴ/Ⅲ比为1000至4000。
低温p型GaN层生长结束后,生长厚度为50nm至150nm的p型AlGaN层,生长温度为900℃至1000℃,生长时间为4min至15min,生长压力为50Torr至300Torr,Ⅴ/Ⅲ比为1000至10000。
p型AlGaN层生长结束后,生长厚度为50nm至150nm的高温p型GaN层,生长温度为900℃至1050℃之间,生长时间为10min至20min,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为500至4000。
高温p型GaN层生长结束后,生长厚度为3nm至10nm的p型欧姆接触层,生长温度为700℃至850℃,生长时间为0.5min至5min,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为10000至20000。
在步骤S14之后,制备方法还可以包括:对外延片进行退火。
外延生长结束后,将反应室的温度降至600℃至900℃,在PN
在具体实现时,本公开实施例可以采用高纯H
通过以下几个实例对该外延片的发光效果进行说明:
在第一个实例中,单个量子阱层从下至上包含3个InGaN层,第一InGaN层的生长时间为30s至60s;第二InGaN层生长时,通入氢气,氢气的流量为15sccm,通入时长为5s;第三InGaN层生长时间为30s至60s。
其中,量子阱层的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
在第二个实例中,单个量子阱层从下至上包含3个InGaN层,第一InGaN层的生长时间为30s至60s;第二InGaN层生长时,通入氢气,氢气的流量为15sccm,通入时长为10s;第三InGaN层生长时间为30s至60s。
其中,量子阱层的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
在第三个实例中,单个量子阱层从下至上包含3个InGaN层,第一InGaN层的生长时间为30s至60s;第二InGaN层生长时,通入氢气,氢气的流量为15sccm,通入时长为15s;第三InGaN层生长时间为30s至60s。
其中,量子阱层的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
在第四个实例中,单个量子阱层从下至上包含3个InGaN层,第一InGaN层的生长时间为30s至60s;第二InGaN层生长时,通入氢气,氢气的流量为15sccm,通入时长为20s;第三InGaN层生长时间为30s至60s。
其中,量子阱层的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
在第五个实例中,单个量子阱层从下至上包含3个InGaN层,第一InGaN层的生长时间为30s至60s;第二InGaN层生长时,通入氢气,氢气的流量为15sccm,通入时长为25s;第三InGaN层生长时间为30s至60s。
其中,量子阱层的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
在第六个实例中,单个量子阱层从下至上包含3个InGaN层,第一InGaN层的生长时间为30s至60s;第二InGaN层生长时,通入氢气,氢气的流量为15sccm,通入时长为30s;第三InGaN层生长时间为30s至60s。
其中,量子阱层的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
在第七个实例中,量子阱层为相关技术中的单层InGaN层,在生长InGaN层时,没有通入氢气,且量子阱层的生长温度为700℃至850℃,生长压力为100Torr至500Torr,Ⅴ/Ⅲ比为2000至20000。
发光二极管经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体工艺制作成单颗尺寸大小为22×35mil的LED芯片。经过LED芯片测试后发现,实例1至6与实例7相比,实例1、2、3的光效分别提升0.7%、0.9%、1%。但是随着氢气通入量的继续增加,光效增加幅度下降,实例4、5、6分别提升0.6%、0.1%、-0.46%,当通入氢气的时间是30S后,光效明显下降。光效下降的原因是过量的氢气对In掺入的阻挡效应明显增强。
以上所述仅为本公开的可选实施例,并不用以限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。