CN111081836A - 发光二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管包括：基板；在所述基板上形成的n型半导体层；在所述n型半导体层的部分区域上形成的活性层；在所述活性层上形成的，用于防止电子溢出的电子阻挡层；在所述电子阻挡层上形成的空穴注入层；在所述空穴注入层上形成的p型半导体层；与所述n型半导体层电性连接的n型电极；以及与所述p型半导体层电性连接的p型电极；所述空穴注入层具有越靠近所述p型半导体层越小的带隙能。该发光二极管及其制造方法能够提高空穴注入效率，增大发光效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体发光元件领域，具体涉及一种发光二极管及其制造方法。
背景技术
半导体发光元件(Light Emitting Device)是将电能变换成光能的元件。即，半导体发光元件在向发光元件施加正向电压时，P型半导体层的空穴与N型半导体层的电子复合，释放具有与带隙能相应波长的光线。氮化镓系半导体(AlxInyGa1-x-yN；0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)使铝、铟及镓的配比不同，从而可以释放多样波长的光，因而作为发光元件的材料而倍受瞩目。
以氮化镓系半导体薄膜为基础的发光元件，与诸如荧光灯、白炽灯的原有光源相比，耗电小，具有半永久性寿命，不仅响应速度快，而且具有稳定性及环境亲和性。
但是，利用多重量子阱结构(Multiple Quantum Well、MQW)的氮化镓系发光二极管，注入活性层内的载流子在所有量子阱层内无法均一地分散容纳。即，只有邻接空穴注入层的少数量子阱层主要有助于发光，消耗载流子。因此，当注入活性层的电流量多时，由于不约束于活性层内而是向正极移动并与空穴引起非发生再复合的电子，因而可能发生泄漏电流现象。
为防止这种泄漏电流，在p型氮化镓系半导体层与多重量子阱结构之间形成电子阻挡层(electron blocking layer)。电子阻挡层一般使用具有较大带隙能的AlGaN，由于大能带隙，可以防止电子向正极移动，相反，存在妨碍空穴注入活性层内部的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高空穴注入效率，增大发光效率的发光二极管及其制造方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种发光二极管，包括：基板；在所述基板上形成的n型半导体层；在所述n型半导体层的部分区域上形成的活性层；在所述活性层上形成的，用于防止电子溢出的电子阻挡层；在所述电子阻挡层上形成的空穴注入层；在所述空穴注入层上形成的p型半导体层；与所述n型半导体层电性连接的n型电极；以及与所述p型半导体层电性连接的p型电极；所述空穴注入层具有越靠近所述p型半导体层越小的带隙能。
进一步地，所述电子阻挡层包含p-AlGaN，所述空穴注入层包含InAlGaN。
进一步地，所述空穴注入层中，越靠近所述p型半导体层，铟含量越高。
进一步地，所述空穴注入层包含InxAlyGaN，其中，x的取值范围为0.1~10，y的取值范围为0.15~0.3。
本发明还提供了一种发光二极管的制造方法，包括以下步骤：
1）在基板上形成n型半导体层；
2）在所述n型半导体层上形成活性层；
3）在所述活性层上形成电子阻挡层；
4）在所述电子阻挡层上形成空穴注入层；
5）在所述空穴注入层上形成p型半导体层；
6）蚀刻所述p型半导体层、所述空穴注入层、所述电子阻挡层及所述活性层的部分区域而使所述n型半导体层的部分区域露出；
7）形成与所述n型半导体层电性连接的n型电极；
8）形成与所述p型半导体层电性连接的p型电极；
所述步骤4在形成空穴注入层的过程中，调节所述空穴注入层的组成比，以使所述空穴注入层具有越靠近所述p型半导体层越小的带隙能。
进一步地，所述电子阻挡层包含p-AlGaN，所述空穴注入层包含InAlGaN。
进一步地，所述步骤4在电子阻挡层上形成空穴注入层的过程中，使所述空穴注入层的铟含量逐渐增加地层叠。
进一步地，所述步骤4，包括在所述电子阻挡层上层叠InxAlyGaN层，其中，x的取值范围为0.1~10，y的取值范围为0.15~0.3。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：提供了一种发光二极管及其制造方法，所述发光二极管在电子阻挡层上形成越靠近p型半导体层铟含量越高的空穴注入层，通过铟组成比的线性变化使带隙能具有线性倾斜率地变化，从而降低电子阻挡层的高带隙能，提高向活性层的空穴注入效率，增大发光效率，具有很强的实用性和广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例的发光二极管的剖面图。
图2至图8是本发明实施例在制造过程中各阶段发光二极管的剖面图。
图9是本发明实施例的发光二极管的能带图表。
图中，10、基板；20、发光结构物；21、n型半导体层；23、活性层；25、电子阻挡层；27、空穴注入层；29、p型半导体层；31、n型电极；33、p型电极；41、活性层；43、电子阻挡层；45、空穴注入层。
具体实施方式
本发明允许各种修订及变形，以附图形式示例性图示出其特定实施例并在下面详细说明。但是，并非要将本发明限定于公开的特定形态，相反，本发明包括与权利要求项定义的本发明的思想相符的所有修订、均等及替代内容。
当提及诸如层、区域或基板的要素存在于另一构成要素“上（on）”时，这可以理解为直接存在于另一要素上，或可以在其之间还存在中间要素。
虽然第一、第二等术语可以为了说明各种要素、成分、区域、层及/或地区而使用，但应理解为这种要素、成分、区域、层及/或地区不得由这种术语所限定。
下面参照附图，更详细地说明本发明优选实施例。对于以下附图上的相同构成要素，使用相同的附图标记，并省略对相同构成要素的重复说明。
图1是本发明实施例的发光二极管的剖面图。
参照图1，本发明实施例的发光二极管包括：基板(10)、在所述基板上形成的发光结构物(20)、n型电极(31)及p型电极(33)。所述发光结构物(20)包括n型半导体层(21)、在所述n型半导体层(21)的部分区域上形成的活性层(23)、在所述活性层(23)上形成的电子阻挡层(25)、在所述电子阻挡层(25)上形成的空穴注入层(27)以及在所述空穴注入层(27)上形成的p型半导体层(29)。
所述基板(10)只要是能够用作氮化镓类发光二极管基板的公知物质，则可无限制地使用。一般可以为能够使氮化镓类半导体物质生长的SiC、Si、GaN、ZnO、GaAs、GaP、LiAl2O3、BN及AlN中某一者，但不限定于此。所述基板(10)为了使高品质氮化镓发光结构物(20)生长、使活性层(23)形成的光线反射、提高光功率而可以具有凹凸图案。
在所述基板(10)上形成有氮化镓系发光结构物(20)。所述发光结构物(20)包含AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1、0≤y≤1、0≤x+y≤1)，具有原子组成比及掺杂物质不同的n型半导体层(21)、活性层(23)、电子阻挡层(25)、空穴注入层(27)及p型半导体层(29)依次层叠的结构。
所述n型半导体层(21)可以是注入n型掺杂物质的氮化镓系半导体。所述n型掺杂物质可以为硅(Si)、锗(Ge)或锡(Sn)。
在所述n型半导体层(21)的部分区域上形成的活性层(23)，可以具有单一量子阱结构或多重量子阱结构。多重量子阱结构的活性层(23)可以是带隙大的氮化镓系半导体层与带隙小的氮化镓系半导体层交叉层叠的结构。
在所述活性层(23)上形成的电子阻挡层(25)具有大于活性层(23)的带隙能，防止电子从n型半导体层(21)向p型半导体层(29)过度注入。例如，所述电子阻挡层(25)可以为以p型掺杂物质掺杂的AlxGa1-xN(0<x≤1)。所述电子阻挡层(25)可以是相同组成的主体层或具有Al组成不同的多层结构。
在所述电子阻挡层(25)上形成的空穴注入层(27)，具有与所述电子阻挡层(25)相接区域的带隙能最大、越邻接所述p型半导体层(29)越减小的带隙能。所述空穴注入层(27)可以包含InxAlyGaN，越邻接所述p型半导体层(29)，铟原子的含量可以越增加。根据本发明的一个实施例，所述x可以在0.1以上10以下的范围内线性变化，所述y可以具有0.15以上0.3以下的值。当代表铝原子含量的y值不足0.15时，带隙能过小，无法阻挡电子。相反，当y值超过0.3时，带隙能过大，阻止空穴注入活性层，导致发光效率减小。
在所述空穴注入层(27)上形成p型半导体层(29)。所述p型半导体层(29)可以是p型掺杂物质掺杂的氮化镓系半导体。所述p型掺杂物质可以为镁(Mg)、锌(Zn)或镉(Cd)。
在从所述活性层(23)、电子阻挡层(25)、空穴注入层(27)及p型半导体层(29)露出的所述n型半导体层(21)的部分区域形成有n型电极(31)，在所述p型半导体层(29)上的部分区域形成有p型电极(33)。所述n型电极(31)及所述p型电极(33)可以为导电性物质。例如，可以是Si、Au、Pt、Mg、Zn、Hf、Ta、W、Ti、Ag、Cr、Mo、Nb、Al、Ni、Cu或他们的合金，但不限定于此。
在所述p型电极(33)与所述p型半导体层(29)之间，可以选择性地形成有透明导电层(图上未示出)。透明导电层可以使用光透过性高的导电物质，可以是非常薄的金属薄膜或金属氧化物层。
另外，为了提高所述发光结构物(20)的晶质，本发明的一个实施例可以选择性地在基板(10)上还形成缓冲层(图上未示出)及无掺杂半导体层(图上未示出)。所述缓冲层可以是在低温下生长的GaN层或AlN层。所述无掺杂半导体层可以以足以减小因基板(10)与氮化镓类半导体的晶格常数差异及热膨胀系数差异而引起的缺陷的厚度形成。
图2至图8是本发明实施例在制造过程中各阶段发光二极管的剖面图。
参照图2，首先在基板(10)上形成n型半导体层(21)。如在图1的说明中详细叙述所示，还可以在基板(10)上选择性地形成缓冲层及无掺杂半导体层。n型半导体层(21)可以根据化学气相沉积法(Chemical vapor deposition、CVD)而形成，或者，可以根据诸如物理气相沉积(Physical vapor deposition)、溅射(sputtering)、氢气相沉积法(Hydride vaporphase epitaxy、HVPE)或原子层沉积(Atomic layer deposition)的公知沉积方法而形成。
参照图3，在所述n型半导体层(21)上形成活性层(23)。所述活性层(23)可以具有单一量子阱结构或多重量子阱结构。多重量子阱结构的活性层(23)可以交叉层叠带隙大的氮化镓系半导体层与带隙小的氮化镓系半导体层而形成。
参照图4，在所述活性层(23)上形成电子阻挡层(25)。所述电子阻挡层(23)可以是使铝原子含量增加到0.15以上的p-AlxGa1-xN(0<x≤1)。所述电子阻挡层(25)可以以相同组成的主体层形成，或以由Al组成不同的层层叠多层的结构形成。
参照图5，在所述电子阻挡层(25)上形成空穴注入层(27)。所述空穴注入层(27)包含InxAlyGaN，所述x可以在0.1以上10以下的范围内取值，所述y可以在0.15以上0.3以下取值。所述空穴注入层(27)形成具有越邻接所述p型半导体层(29)越高的铟原子含量。因此，可以在沉积步骤中采用不同原料组成比，调节使得具有连续增加的铟原子含量。
参照图6，在所述空穴注入层(27)上形成p型半导体层(29)。
参照图7，蚀刻所述p型半导体层(29)、空穴注入层(27)、电子阻挡层(25)及活性层(23)的部分区域，使所述n型半导体层(21)的部分区域露出。
参照图8，形成与所述露出的n型半导体层(21)电气连接的n型电极(31)及在p型半导体层(29)上电气连接的p型电极(33)。所述n型电极(31)及所述p型电极(33)可以通过热沉积(thermal evaporation)、电子束沉积(E-beam evaporation)或溅射工序而形成，但不限定于此。
在所述p型电极(33)与所述p型半导体层(29)之间，可以选择性地形成有透明导电层(图上未示出)。透明导电层可以使用光透过性高的导电物质，可以为很薄的金属薄膜或金属氧化物层。
图9是本发明实施例的发光二极管的能带图表。
参照图9，所述活性层(41)由具有互不相同带隙能的层交叉层叠而构成势垒层和量子阱层，所述电子阻挡层(43)具有大于活性层区域的带隙能。空穴注入层(45)具有随着从电子阻挡层(43)向p型半导体层行进而线性减小的带隙能。如上所述，可以使空穴注入层(45)的铟原子含量逐渐增加，实现带隙能的改线减小。随着带隙能线性减小，尽管电子阻挡层(43)的高带隙能，也可以向活性层(41)高效注入空穴。因此，可以增大发光二极管的发光效率。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种发光二极管，其特征在于，包括：
基板；
在所述基板上形成的n型半导体层；
在所述n型半导体层的部分区域上形成的活性层；
在所述活性层上形成的，用于防止电子溢出的电子阻挡层；
在所述电子阻挡层上形成的空穴注入层；
在所述空穴注入层上形成的p型半导体层；
与所述n型半导体层电性连接的n型电极；以及
与所述p型半导体层电性连接的p型电极；
所述空穴注入层具有越靠近所述p型半导体层越小的带隙能。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层包含p-AlGaN，所述空穴注入层包含InAlGaN。
3.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层中，越靠近所述p型半导体层，铟含量越高。
4.根据权利要求2所述的发光二极管，其特征在于，所述空穴注入层包含InxAlyGaN，其中，x的取值范围为0.1~10，y的取值范围为0.15~0.3。
5.一种发光二极管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在基板上形成n型半导体层；
2）在所述n型半导体层上形成活性层；
3）在所述活性层上形成电子阻挡层；
4）在所述电子阻挡层上形成空穴注入层；
5）在所述空穴注入层上形成p型半导体层；
6）蚀刻所述p型半导体层、所述空穴注入层、所述电子阻挡层及所述活性层的部分区域而使所述n型半导体层的部分区域露出；
7）形成与所述n型半导体层电性连接的n型电极；
8）形成与所述p型半导体层电性连接的p型电极；
所述步骤4在形成空穴注入层的过程中，调节所述空穴注入层的组成比，以使所述空穴注入层具有越靠近所述p型半导体层越小的带隙能。
6.根据权利要求5所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述电子阻挡层包含p-AlGaN，所述空穴注入层包含InAlGaN。
7.根据权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤4在电子阻挡层上形成空穴注入层的过程中，使所述空穴注入层的铟含量逐渐增加地层叠。
8.根据权利要求6所述的发光二极管的制造方法，其特征在于，所述步骤4，包括在所述电子阻挡层上层叠InxAlyGaN层，其中，x的取值范围为0.1~10，y的取值范围为0.15~0.3。
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