CN108574027B

CN108574027B - 氮化镓基led芯片及制造方法

Info

Publication number: CN108574027B
Application number: CN201810427717.2A
Authority: CN
Inventors: 吴琼
Original assignee: Fujian Trillion Photoelectric Co Ltd
Current assignee: Fujian Trillion Photoelectric Co Ltd
Priority date: 2018-05-07
Filing date: 2018-05-07
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2038-05-07
Also published as: CN108574027A

Abstract

本发明提出一种氮化镓基LED芯片及制造方法，其特征在于，包括：衬底、形成在衬底上的N型半导体层、形成在N型半导体层上的活性层、形成在活性层上的P型中间层、形成在P型中间层上的电子阻挡层、形成在电子阻挡层上的P型半导体层、以及分别设置在N型半导体层和P型半导体层上的N型电极和P型电极；所述P型中间层包括从下往上依次层叠设置的InGaN层、InAlGaN层和GaN层；所述InGaN层、InAlGaN层和GaN层的每一层中分别掺杂Mg,Zn,Be,Ca,Sr及Ba中的至少一种P型掺杂物。具有各不相同的掺杂浓度以及能量带隙的多层结构的P型中间层可以提高空穴注入效率，并缓解由活性层与电子阻挡层界面的晶格常数差异产生的应力，提高了LED芯片工作状态下的量子效率。

Description

氮化镓基LED芯片及制造方法

技术领域

本发明属于LED芯片制造领域，尤其涉及一种具有多层结构的P型中间层的氮化镓基LED芯片及制造方法。

背景技术

半导体发光元件是正向电压应用于发光元件时，P型半导体层的空穴和N型半导体层的电子结合，发出与带隙能量对应波长的光。

氮化镓基半导体((Al_xIn_yGa_1-x-yN;0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1))是通过改变铝、铟和镓的比例，释放出多种波长的光，所以作为发光元件的材料备受关注。

但是，当发光二极管被注入高电流时，就会存在发光效率下降(efficiencydrop)的问题。效率下降(efficiencydrop)是由基于氮化镓基半导体结晶缺陷的再结合(defect-assistedrecombination)或电流泄漏的原因导致的。电流泄漏现象是指，被注入高电流的情况下，负电极的电子穿过多重量子阱(MultipleQuantumWell,MQW)到达正电极，与空穴进行不发光再结合的现象。

为了防止电流泄漏，在P型氮化镓基半导体层和多重量子阱结构之间形成了一个电子阻挡层(electronblockinglayer)。电子阻挡层一般是使用高带隙能量的AlGaN，但Al原子阻碍了P型掺杂物的掺杂。所以电子阻挡层会减少空穴的注入效率。另外，因包括铟在内的多重量子阱结构和包括铝在内的电子阻挡层之间的晶格常数不一致，可能会形成分极。极化扭曲了电子和空穴的分布，导致内部的量子效率被降低。

发明内容

针对现有技术存在的不足和难以解决的技术缺陷，本发明采用以下技术方案：

一种氮化镓基LED芯片，其特征在于，包括：衬底、形成在衬底上的N型半导体层、形成在N型半导体层上的活性层、形成在活性层上的P型中间层、形成在P型中间层上的电子阻挡层、形成在电子阻挡层上的P型半导体层、以及分别设置在N型半导体层和P型半导体层上的N型电极和P型电极；所述P型中间层包括从下往上依次层叠设置的InGaN层、InAlGaN层和GaN层；所述InGaN层、InAlGaN层和GaN层的每一层中分别掺杂Mg,Zn,Be,Ca,Sr及Ba中的至少一种P型掺杂物。

优选地，所述InGaN层掺杂了比所述InAlGaN和GaN层浓度更低的P型掺杂物；所述GaN层掺杂了比所述InGaN层和InAlGaN层浓度更高的P型掺杂物。

1. 根据权利要求2所述的氮化镓基LED芯片，其特征在于：所述InGaN层的P型掺杂物浓度为1×10¹⁷cm^-3到1×10¹⁸cm^-3，所述InAlGaN层的P型掺杂物浓度为1×10¹⁸cm^-3到5×10¹⁸cm^-3,所述GaN层的P型掺杂物浓度为5×10¹⁸cm^-3到1×10¹⁹cm^-3。

优选地，所述InGaN层、InAlGaN层和GaN层每一层的厚度为1nm到10nm。

优选地，所述InGaN层含有质量分数为0.1%到1%的铟；所述InAlGaN层含有质量分数为0.1%至1%的铟以及质量分数为0.1%至3%的铝。

优选地，所述N型半导体层为掺杂了N型掺杂剂的氮化镓半导体；所述P型半导体为掺杂了P型掺杂物的氮化镓基半导体。

优选地，所述衬底和N型半导体层之间形成有u-GaN层。

优选地，所述N型半导体层和N型电极之间形成有透明导电层A；所述P型半导体层和P型电极之间形成有透明导电层B。

一种氮化镓基LED芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成N型半导体层；

步骤2：在所述N型半导体层上形成活性层；

步骤3：在所述活性层上形成P型中间层；所述P型中间层的形成包括从下往上依次形成InGaN层、InAlGaN层和GaN层；所述InGaN层、InAlGaN层和GaN层的每一层中分别掺杂Mg,Zn,Be,Ca,Sr及Ba中的至少一种P型掺杂物；

步骤4：在所述P型中间层上形成电子阻挡层；

步骤5：在所述电子阻挡层上形成P型半导体层；

步骤6：分别在N型半导体层和P型半导体层上设置N型电极和P型电极。

优选地，所述InGaN层的P型掺杂物浓度为1×10¹⁷cm^-3到1×10¹⁸cm^-3，所述InAlGaN层的P型掺杂物浓度为1×10¹⁸cm^-3到5×10¹⁸cm^-3,所述GaN层的P型掺杂物浓度为5×10¹⁸cm^-3到1×10¹⁹cm^-3；所述InGaN层含有质量分数为0.1%到1%的铟；所述InAlGaN层含有质量分数为0.1%至1%的铟以及质量分数为0.1%至3%的铝。

根据本发明及优选方案提供的LED芯片由于增设了具有P型掺杂物的多层结构（P型中间层），提高了从P型半导体向活性层提供的空穴注入效率，降低了操作电压。

其中，与电子阻挡层相邻的GaN层掺杂浓度较高P型掺杂剂，与活性层相邻的InGaN层掺杂浓度很低P型掺杂剂，防止了P型掺杂剂向活性层扩散。

由于活性层的晶格常数与电子阻挡层之间的差异所引起的应力被InGaN层和InAlGaN层(含少量铟原子)所释放，从而降低了泄漏电流，且减少了效率下降(efficiencydroop)现象。

此外，InAlGaN层有一个高的能量带隙来阻止电子的溢出(Over-flow)。

具有各不相同的掺杂浓度以及能量带隙的多层结构的P型中间层可以提高空穴注入效率，并缓解由活性层与电子阻挡层界面的晶格常数差异产生的应力。

以上效果共同促成了背景技术中所提及问题较为妥善的解决，提高了LED芯片工作状态下的量子效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例的截面结构示意图；

图2为本发明实施例的能量带隙示意图；

图3为本发明实施例的制造方法流程示意图；

图中：110:衬底；120:N型半导体层；130:活性层；140:P型中间层；141:InGaN层；143:InAlGaN层；145:GaN层；150:电子阻挡层；160:P型半导体层；171:N型电极；173:P型电极。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

图1是根据本发明的一个实施例说明发光二极管的横截面图。

如图1所示，本发明实施例包括：衬底110,衬底110上形成的N型半导体层120，N型半导体层上形成的活性层130，活性层130上形成的P型中间层140，P型中间层140上形成的电子阻挡层150,电子阻挡层150上形成的P型半导体层160，与N型半导体层120电连接的N型电极，以及与P型半导体层160电连接的P型电极173。

其中，P型中间层140可包括有序堆叠的InGaN层141,InAlGaN层143及GaN层145的多层结构。

在本实施例中，衬底110可以是任一已知的适用于氮化镓发光二极管衬底的材料。一般情况下，可使氮化镓基半导体生长的物质可以是SiC、Si、GaN、ZnO、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN和AlN中的一种，但不限于此。衬底110上可以生长高质量的氮化镓基半导体物质，为进一步提高发光二极管通过散光出光效率，本实施例中的衬底110可使用图形化衬底。

N型半导体层120形成于衬底110上。N型半导体层120可以是掺杂了N型掺杂剂的氮化镓半导体。氮化镓基半导体为AlxInyGa1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)，N型掺杂物可以是硅（Si）、锗(Ge)、锡(Sn)。

活性层130形成于N型半导体层120上。活性层130具有单一量子阱结构或多重量子阱结构。在本实施例中优选的多重量子阱结构的活性层130可以是大带隙氮化镓基半导体层与小带隙氮化镓基半导体层交替堆叠而成的结构。

作为一个优选方案，在本实施例中，衬底110与N型半导体层120之间可以形成u-GaN层（图中未标注）。u-GaN层为未掺杂的氮化镓半导体层，有利于生长出无缺陷的外延层结构。

在本实施例中，P型中间层140形成于活性层130上。P型中间层140具体是包括依次堆叠的InGaN层141,InAlGaN层143以及GaN层145的多层结构。

P型中间层140掺杂有P型掺杂物。P型掺杂物可以是镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、锶（Sr）及钡（Ba）中的一种或多种。

其中，InGaN层141掺杂比InAlGaN层143及GaN层145浓度低的P型掺杂物，GaN145掺杂比InGaN层141及InAlGaN层143浓度更高的P型掺杂物。

作为一个效果较优的优选掺杂方案，InGaN层141的P型掺杂物浓度设置为1×10¹⁷cm^-3至1×10¹⁸cm^-3之间,InAlGaN层143的P型掺杂物浓度设置为1×10¹⁸cm^-3至5×10¹⁸cm^-3之间,GaN层145的P型掺杂物浓度设置为5×10¹⁸cm^-3至1×10¹⁹cm^-3之间。

该种特殊设置所针对的因素在于：虽然掺杂P型掺杂物的P型中间层140可以提高向活性层130注入空穴的效率，但是当P型掺杂物向活性层130的量子阱内部扩散时，可能出现发光特性低下的情况。因此，通过使离活性层130近的InGaN层141具备低浓度P型掺杂物，离电子阻挡层150近的GaN层145具备高浓度P型掺杂物，从而来提高空穴注入效率，从而达到防止P型掺杂物向活性层130扩散的效果。

在本实施例中，InGaN层141含有0.1%到1%的铟,InAlGaN层143含有0.1%到1%的铟以及0.1%到3%的铝。

由于含有高浓度铟的活性层130可以在与电子阻挡层150间的界面上产生由晶格常数差异引起的压电极化现象。因此，通过使P型中间层140的InGaN层141及InAlGaN层143含有微量的铟（In）并形成GaN层，可以缓解由晶格常数差异产生的应力。

含铝的InAlGaN层143具有宽能量带隙来防止电子的溢出，并且能使电子和空穴在活性层130内结合。

InGaN层141,InAlGaN层143以及GaN层145分别具有1nm至10nm的厚度。

在本实施例中，电子阻挡层150形成于P型中间层140上。电子阻挡层150具有比活性层130更大的带隙，从而防止电子被过度地由N型半导体层120注入到P型半导体层160。在本实施例的优选方案中，电子阻挡层150为掺杂了P型掺杂物的Al_xGa_1-xN(0<x≤1)。电子阻挡层150为具有同一组成的主体层或者具有不同Al组成的多层结构。

P型半导体层160形成于电子阻挡层150上。P型半导体层160为掺杂了P型掺杂物的氮化镓基半导体。氮化镓基半导体可以是Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤x+y≤1)。

如图3所示，对于本实施例的制造方法，其基本步骤为：

步骤1：在衬底上形成N型半导体层；

步骤2：在N型半导体层上形成活性层；

步骤3：在活性层上形成P型中间层；P型中间层的形成包括从下往上依次形成InGaN层、InAlGaN层和GaN层；InGaN层、InAlGaN层和GaN层的每一层中分别掺杂Mg,Zn,Be,Ca,Sr及Ba中的至少一种P型掺杂物；

步骤4：在P型中间层上形成电子阻挡层；

步骤5：在电子阻挡层上形成P型半导体层；

其中，N型半导体层120、活性层130、P型中间层140、电子阻挡层150以及P型半导体层160可以通过有机金属化学沉积法MOCVD、化学沉积法CVD、等离子化学沉积法(PECVD;Plasma-EnhancedChemicalVaporDeposition)、分子束生长法(MBE;MolecularBeamEpitaxy)、氢化物气相生长法(HVPE;HydrideVaporPhaseEpitaxy)以及溅射法(Sputtering)中的一种或多种方式形成。N型半导体层120、活性层130,P型中间层140,电子阻挡层150以及P型半导体层160可以通过在同一个反应腔内改变原料比例来进行生长和掺杂。

N型电极171通过与N型半导体层120进行电性连接，P型电极173则通过与P型半导体层160进行电性连接而形成。

N型电极171及P型电极173可以是导电性物质。例如，Si,Au,Pt,Mg,Zn,Hf,Ta,W,Ti,Ag,Cr,Mo,Nb,Al,Ni,Cu或者这些金属的合金，但并不限于此。

N型电极171及P型电极173可以通过热蒸镀(thermalevaporation)、电子束蒸镀(E-beamevaporation)或溅射工艺来形成，但不限于这些方法。

此外，P型电极173与P型半导体层160之间还可以选择性地形成一层透明导电层（未图示）。透明导电层可以使用透光性好的导电物质，也可以是非常薄的金属薄膜或金属氧化物层。

在P型半导体层160与透明导电层之间的P型电极173下部区域，可以形成电流阻挡层（未图示），以使得LED能有更好的性能。

图2是根据本发明的一个实施例制成的发光二极管的能量带隙示意图。

如图2所示，P型中间层140包括分别均掺杂了P型掺杂物且依次堆叠的InGaN层141、InAlGaN层143以及GaN层145。关于构成P型中间层140的多层结构，InGaN层141的带隙最小，InAlGaN层143的带隙最大，GaN层145的带隙比InGaN层141大，又比InAlGaN层143小。

具有比活性层130的壁垒层及P型半导体层160小的带隙的InGaN141层可以使空穴有效注入活性层130。

InAlGaN层143具有比形成于P型中间层140上的电子阻挡层150小,但又比GaN层145及P型半导体层160大的带隙。这起到了一次性阻断电子被注入GaN层145以及P型半导体层160,并发生非发光性再结合的作用。

像这类具有各不相同的带隙的多层结构P型中间层140不仅提高了空穴被注入活性层的效率，也防止了电子溢出，缓解了由晶格常数差异引起的压缩应力。

本专利不局限于最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的氮化镓基LED芯片及制造方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims

1.一种氮化镓基LED芯片，其特征在于，包括：衬底、形成在衬底上的N型半导体层、形成在N型半导体层上的活性层、形成在活性层上的P型中间层、形成在P型中间层上的电子阻挡层、形成在电子阻挡层上的P型半导体层、以及分别设置在N型半导体层和P型半导体层上的N型电极和P型电极；所述P型中间层包括从下往上依次层叠设置的InGaN层、InAlGaN层和GaN层；所述InGaN层、InAlGaN层和GaN层的每一层中分别掺杂Mg,Zn,Be,Ca,Sr及Ba中的至少一种P型掺杂物；所述InGaN层掺杂了比所述InAlGaN和GaN层浓度更低的P型掺杂物；所述GaN层掺杂了比所述InGaN层和InAlGaN层浓度更高的P型掺杂物。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基LED芯片，其特征在于：所述InGaN层的P型掺杂物浓度为1×10¹⁷cm^-3到1×10¹⁸cm^-3，所述InAlGaN层的P型掺杂物浓度为1×10¹⁸cm^-3到5×10¹⁸cm^-3,所述GaN层的P型掺杂物浓度为5×10¹⁸cm^-3到1×10¹⁹cm^-3。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基LED芯片，其特征在于：所述InGaN层、InAlGaN层和GaN层每一层的厚度为1nm到10nm。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基LED芯片，其特征在于：所述InGaN层含有质量分数为0.1%到1%的铟；所述InAlGaN层含有质量分数为0.1%至1%的铟以及质量分数为0.1%至3%的铝。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基LED芯片，其特征在于：所述N型半导体层为掺杂了N型掺杂剂的氮化镓半导体；所述P型半导体为掺杂了P型掺杂物的氮化镓基半导体。

6.根据权利要求1所述的氮化镓基LED芯片，其特征在于：所述衬底和N型半导体层之间形成有u-GaN层。

7.根据权利要求1所述的氮化镓基LED芯片，其特征在于：所述N型半导体层和N型电极之间形成有透明导电层A；所述P型半导体层和P型电极之间形成有透明导电层B。

8.一种氮化镓基LED芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成N型半导体层；

步骤2：在所述N型半导体层上形成活性层；

步骤4：在所述P型中间层上形成电子阻挡层；

步骤5：在所述电子阻挡层上形成P型半导体层；

步骤6：分别在N型半导体层和P型半导体层上设置N型电极和P型电极；

所述InGaN层的P型掺杂物浓度为1×10¹⁷cm^-3到1×10¹⁸cm^-3，所述InAlGaN层的P型掺杂物浓度为1×10¹⁸cm^-3到5×10¹⁸cm^-3,所述GaN层的P型掺杂物浓度为5×10¹⁸cm^-3到1×10¹⁹cm^-3；所述InGaN层含有质量分数为0.1%到1%的铟；所述InAlGaN层含有质量分数为0.1%至1%的铟以及质量分数为0.1%至3%的铝。