发光二极管的制作方法

1.本实用新型涉及半导体器件领域，特别是涉及一种发光二极管。


背景技术：

2.硅是地球上含量最丰富的一种元素，硅电子器件也是半导体工业发展最成熟领域。硅衬底具有的结晶质量高、尺寸大、价格便宜以及导热导电性能好等特性，吸引着科研人员和生产厂商投入到硅衬底氮化镓发光二极管器件研发和生产。另外硅衬底发光二极管有实现硅基光电子集成功能的潜力，硅衬底的导电性使得其可以制造出高质量的hemt器件等。但是，硅衬底与外延氮化镓层之间存在大的失配，因此外延生长氮化镓层质量较差，抗静电性能和反向漏电能力不如传统蓝宝石衬底的发光二极管。


技术实现要素：

3.基于此，为了提高硅衬底发光二极管的抗静电性能和反向漏电能力，有必要提供一种发光二极管及其制备方法。
4.本实用新型提供了一种发光二极管，包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、非故意掺杂层、氮化镓复合层、多量子阱发光层、电子阻挡层以及第一氮化镓层；
5.其中，所述氮化镓复合层包括依次层叠的第二氮化镓层、氮化铝镓层、第三氮化镓层以及第四氮化镓层。
6.在其中一个实施例中，所述氮化镓复合层满足以下一个或多个条件：
7.(1)所述第二氮化镓层的厚度为0.5μm～2.5μm；
8.(2)所述氮化铝镓层的厚度为40nm～120nm；
9.(3)所述第三氮化镓层的厚度为80nm～520nm；
10.(4)所述第四氮化镓层的厚度为5nm～120nm。
11.在其中一个实施例中，所述缓冲层的厚度为200nm～1100nm。
12.在其中一个实施例中，所述非故意掺杂层的厚度为0.2μm～1.2μm。
13.在其中一个实施例中，所述多量子阱发光层包括n层层叠的基础层，所述基础层包括层叠的势垒层以及势阱层，所述势垒层与所述氮化镓复合层接触，其中n为3～12的整数。
14.在其中一个实施例中，n为5～10的整数。
15.在其中一个实施例中，所述势垒层的厚度为2nm～12nm。
16.在其中一个实施例中，所述势阱层的厚度为1nm～6nm。
17.在其中一个实施例中，所述电子阻挡层的厚度为20nm～90nm。
18.在其中一个实施例中，所述第一氮化镓层的厚度为20nm～170nm。
19.上述发光二极管结构中通过设置氮化镓复合层包括依次层叠的第二氮化镓层、氮化铝镓层、第三氮化镓层以及第四氮化镓层，可有效改善氮化镓复合层中氮化镓的电子迁移、减少漏电通道，从而提高发光二极管的抗静电能力和反向漏电能力。
附图说明
20.图1为发光二极管结构图；
21.附图标记说明：10：发光二极管，100：硅衬底，110：缓冲层，120：非故意掺杂层，130：氮化镓复合层，131：第二氮化镓层，132：氮化铝镓层，133：第三氮化镓层，134：第四氮化镓层140：多量子阱发光层，141：势垒层，142：势阱层，150：电子阻挡层，160：第一氮化镓层。
具体实施方式
22.为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
23.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本实用新型的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
24.本实用新型中的词语“优选地”、“更优选地”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本实用新型实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本实用新型的范围之外。
25.当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
26.应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本技术教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
27.在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本技术的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所
有组合。
28.在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，意图在于覆盖不排他的包含，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由
……
组成”等，否则还可以添加另一部件。
29.除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
30.此外，附图并不是以1:1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制，以便于理解本实用新型，但不一定按照真实比例绘制，附图中的比例不构成对本实用新型的限制。需要说明的是，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。
31.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
32.如图1所示为本实用新型提供一种发光二极管10，包括依次层叠的硅衬底100、缓冲层110、非故意掺杂层120、氮化镓复合层130、多量子阱发光层140、电子阻挡层150以及第一氮化镓层160；
33.其中，氮化镓复合层130包括依次层叠的具有第一掺杂浓度的第二氮化镓层131、氮化铝镓层132、具有第二掺杂浓度的第三氮化镓层133以及具有第三掺杂浓度的第四氮化镓层134，第一掺杂浓度高于第三掺杂浓度，第三掺杂浓度高于第二掺杂浓度，
34.第二氮化镓层131、第三氮化镓层133以及第四氮化镓层134具有第一导电类型，电子阻挡层150以及第一氮化镓层160具有第二导电类型，第一导电类型与第二导电类型相反。
35.可以理解地，第一导电类型是n型，则第二导电类型为p型，第一导电类型是p型，则第二导电类型为n型。
36.在一个具体示例中，氮化镓复合层130中第一掺杂浓度为8
×
10
19
/cm3～4
×
10
19
/cm3。优选地，第一掺杂浓度为10
19
/cm3～2
×
10
19
/cm3，具体地第一掺杂浓度可以但不限于是10
19
/cm3、1.1
×
10
19
/cm3、1.2
×
10
19
/cm3、1.3
×
10
19
/cm3、1.4
×
10
19
/cm3、1.5
×
10
19
/cm3、1.6
×
10
19
/cm3、1.7
×
10
19
/cm3、1.8
×
10
19
/cm3、1.9
×
10
19
/cm3或2
×
10
19
/cm3。
37.在一个具体示例中，氮化镓复合层130中第二氮化镓层131的厚度为0.5μm～2.5μm。进一步地，第二氮化镓层131的厚度为1μm～2μm，第二氮化镓层131的厚度可以但不限于是1μm、1.1μm、1.2μm、1.3μm、1.4μm、1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm或2μm。
38.在一个具体示例中，氮化镓复合层130中第二掺杂浓度为8
×
10
16
/cm3～2
×
10
18
/cm3。优选地，第二掺杂浓度为10
17
/cm3～10
18
/cm3，具体地，第二掺杂浓度可以但不限于是10
17
/cm3、2
×
10
17
/cm3、3
×
10
17
/cm3、4
×
10
17
/cm3、5
×
10
17
/cm3、6
×
10
17
/cm3、7
×
10
17
/cm3、8
×
10
17
/cm3、9
×
10
17
/cm3或10
18
/cm3。
39.在一个具体示例中，氮化镓复合层130中第三氮化镓层133的厚度为80nm～520nm。优选地，第三氮化镓层133的厚度为100nm～500nm，具体地，第三氮化镓层133的厚度可以但不限于是100nm、200nm、300nm、400nm或500nm。
40.在一个具体示例中，氮化镓复合层130中第三掺杂浓度为8
×
10
17
/cm3～2
×
10
19
/cm3。优选地，第三掺杂浓度为10
18
/cm3～10
19
/cm3，具体地，第三掺杂浓度可以但不限于是10
18
/cm3、2
×
10
18
/cm3、3
×
10
18
/cm3、4
×
10
18
/cm3、5
×
10
18
/cm3、6
×
10
18
/cm3、7
×
10
18
/cm3、8
×
10
18
/cm3、9
×
10
18
/cm3或10
19
/cm3。
41.在一个具体示例中，氮化镓复合层130中第四氮化镓层134的厚度为5nm～120nm。在一个优选示例中，第四氮化镓层134的厚度为10nm～100nm。具体地第四氮化镓层134的厚度可以但不限于是10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。
42.可以理解地，第二氮化镓层131、第三氮化镓层133以及第四氮化镓层134中掺杂元素可以但不限于是硅。
43.在一个具体示例中，氮化镓复合层130中氮化铝镓(algan)层的厚度为40nm～120nm。在一个优选示例中，氮化铝镓(algan)层的厚度为50nm～100nm，具体地，氮化铝镓(algan)层的厚度可以但不限于是50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm。可以理解地，氮化铝镓层132中al与ga之间的摩尔比为0.1～0.3。
44.在一个具体示例中，缓冲层110的材料选自氮化镓(gan)、氮化铝镓(algan)、铟铝镓氮(inalgan)以及氮化铟镓(ingan)中的至少一种。
45.在一个具体示例中，缓冲层110的厚度为200nm～1100nm。在一个优选示例中，缓冲层110的厚度为300nm～1000nm，具体地，缓冲层110的厚度可以但不限于是300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm或1000nm。
46.在一个具体示例中，非故意掺杂层120的材料为氮化镓。
47.在一个具体示例中，非故意掺杂层120的厚度为0.2μm～1.2μm。在一个优选示例中，非故意掺杂层120的厚度为0.5μm～1μm，具体地，非故意掺杂层120的厚度可以但不限于是0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm。
48.在一个具体示例中，多量子阱发光层140包括n层层叠的基础层，基础层包括层叠的势垒层141以及势阱层142，其中n为3～12的整数。优选地，n为5～12的整数，具体地，n可以但不限于是5、6、7、8、9或10。可以理解地，势垒层141的层数与势阱层142的层数相同。
49.在一个具体示例中，多量子阱发光层140中势垒层141的材料为al
x
ga
1-x
n，其中x为0～0.5。优选地，x为0～0.4。
50.在一个具体示例中，多量子阱发光层140中势阱层142的材料为inyga
1-y
n，其中y为0～0.4。优选地，y为0～0.3。
51.在一个具体示例中，多量子阱发光层140中势垒层141的厚度为2nm～12nm。进一步地，势垒层141的厚度为3nm～10nm，具体地，势垒层141的厚度可以但不限于是3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm。
52.在一个具体示例中，多量子阱发光层140中势阱层142的厚度为1nm～6nm。进一步地，势阱层142的厚度为2nm～4nm，具体地，势阱层142的厚度可以但不限于是2nm、3nm或4nm。可以理解地，此处厚度指的是一层基础层中势垒层141的厚度或一层基础层中势阱层
142的厚度。
53.在一个具体示例中，电子阻挡层150的材料选自氮化镓(gan)、氮化铝镓(algan)、铟铝镓氮(alingan)以及氮化铝(aln)中的一种或多种。
54.在一个具体示例中，电子阻挡层150的厚度为20nm～90nm。在一个优选示例中，电子阻挡层150的厚度为30nm～80nm，具体地，电子阻挡层150的厚度可以但不限于是30nm、40nm、50nm、60nm、70nm或80nm。
55.在一个具体示例中，电子阻挡层150的掺杂浓度为10
18
/cm3～5
×
10
19
/cm3。进一步地，电子阻挡层150的掺杂浓度为5
×
10
18
/cm3～3.5
×
10
19
/cm3，具体地，电子阻挡层150的掺杂浓度可以但不限于是5
×
10
18
/cm3、6
×
10
18
/cm3、7
×
10
18
/cm3、8
×
10
18
/cm3、9
×
10
18
/cm3、10
19
、1.5
×
10
19
/cm3、2.5
×
10
19
/cm3或3.5
×
10
19
/cm3。可以理解地，电子掺杂层中的掺杂元素可以但不限于是镁。
56.在一个具体示例中，第一氮化镓层160的厚度为20nm～170nm。进一步地，第一氮化镓层160的厚度为3 0nm～150nm，具体地，第一氮化镓层160的厚度可以但不限于是30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm或150nm。
57.在一个具体示例中，第一氮化镓层160的掺杂浓度为10
18
/cm3～5
×
10
20
/cm3。进一步地，第一氮化镓层160的掺杂浓度为5
×
10
18
/cm3～10
20
/cm3，具体地，第一氮化镓层160的掺杂浓度可以但不限于是5
×
10
18
/cm3、6
×
10
18
/cm3、7
×
10
18
/cm3、8
×
10
18
/cm3、9
×
10
18
/cm3、10
19
/cm3、2
×
10
19
/cm3、3
×
10
19
/cm3、4
×
10
19
/cm3、5
×
10
19
/cm3、6
×
10
19
/cm3、7
×
10
19
/cm3、8
×
10
19
/cm3、9
×
10
19
/cm3或10
20
/cm3。可以理解地，第一氮化镓层160中的掺杂元素可以但不限于是镁。
58.进一步地，本实用新型还提供一种如上述发光二极管10的制备方法，在硅衬底100依次形成缓冲层110、非故意掺杂层120、氮化镓复合层130、多量子阱发光层140、电子阻挡层150以及第一氮化镓层160。
59.可以理解地，上述发光二极管10各层的形成方法可以但不限于是化学气相沉积。
60.在一个具体示例中，缓冲层110形成的条件包括：生长温度为750℃～1100℃。优选地，缓冲层110的生长温度为800℃～1050℃。
61.在一个具体示例中，非故意掺杂层120形成的条件包括：生长温度为950℃～1300℃。优选地，非故意掺杂层120的生长温度为1050℃～1200℃。
62.在一个具体示例中，氮化镓复合层130形成的条件包括：生长温度为800℃～1200℃，生长压力为30torr～250torr。
63.进一步地，第二氮化镓层131的生长温度为1100℃～1100℃，生长压力为80torr～120torr。
64.更进一步地，第三氮化镓层133的生长温度为1000℃～1100℃，生长压力为80torr～120torr。
65.在一个优选示例中，第四氮化镓层134的生长温度为900℃～1000℃，生长压力为180torr～220torr。
66.氮化镓复合层130中氮化铝镓(algan)层的生长温度为900℃～1000℃，生长压力为30torr～70torr。
67.在一个具体示例中，多量子阱发光层140形成的条件包括：生长温度为600℃～
1100℃。
68.在一个具体示例中，电子阻挡层150形成的条件包括：生长温度为800℃～1200℃。
69.在一个具体示例中，第一氮化镓层160形成的条件包括：生长温度为800℃～1200℃。
70.上述发光二极管10结构中外延生长gan晶体，通过设置氮化镓复合层130包括依次层叠的具有第一掺杂浓度的第三氮化镓层133、氮化铝镓层132、具有第二掺杂浓度的第四氮化镓层134以及具有第三掺杂浓度的第四氮化镓层134，可有效改善氮化镓复合层130中氮化镓的晶体质量和电子迁移、减少漏电通道，从而提高发光二极管10的抗静电能力和反向漏电能力。
71.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
72.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，便于具体和详细地理解本实用新型的技术方案，但并不能因此而理解为对实用新型专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。应当理解，本领域技术人员在本实用新型提供的技术方案的基础上，通过合乎逻辑地分析、推理或者有限的实验得到的技术方案，均在本实用新型所附权利要求的保护范围内。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求的内容为准，说明书以及附图可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种发光二极管，其特征在于，包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、非故意掺杂层、氮化镓复合层、多量子阱发光层、电子阻挡层以及第一氮化镓层；其中，所述氮化镓复合层包括依次层叠的第二氮化镓层、氮化铝镓层、第三氮化镓层以及第四氮化镓层。2.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述氮化镓复合层满足以下一个或多个条件：(1)所述第二氮化镓层的厚度为0.5μm～2.5μm；(2)所述氮化铝镓层的厚度为40nm～120nm；(3)所述第三氮化镓层的厚度为80nm～520nm；(4)所述第四氮化镓层的厚度为5nm～120nm。3.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述缓冲层的厚度为200nm～1100nm。4.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述非故意掺杂层的厚度为0.2μm～1.2μm。5.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述多量子阱发光层包括n层层叠的基础层，所述基础层包括层叠的势垒层以及势阱层，所述势垒层与所述氮化镓复合层接触，其中n为3～12的整数。6.如权利要求5所述的发光二极管，其特征在于，n为5～10的整数。7.如权利要求5或6所述的发光二极管，其特征在于，所述势垒层的厚度为2nm～12nm。8.如权利要求5或6所述的发光二极管，其特征在于，所述势阱层的厚度为1nm～6nm。9.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层的厚度为20nm～90nm。10.如权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述第一氮化镓层的厚度为20nm～170nm。

技术总结
本实用新型公开了一种发光二极管，发光二极管包括依次层叠的硅衬底、缓冲层、非故意掺杂层、氮化镓复合层、多量子阱发光层、电子阻挡层以及第一氮化镓层；其中，氮化镓复合层包括依次层叠的第二氮化镓层、氮化铝镓层、第三氮化镓层以及第四氮化镓层，上述发光二极管结构中通过设置氮化镓复合层包括依次层叠的第二氮化镓层、氮化铝镓层、第三氮化镓层以及第四氮化镓层，可有效改善氮化镓复合层中氮化镓的电子迁移、减少漏电通道，从而提高发光二极管的抗静电能力和反向漏电能力。的抗静电能力和反向漏电能力。的抗静电能力和反向漏电能力。


技术研发人员：李国强
受保护的技术使用者：广州市众拓光电科技有限公司
技术研发日：2023.02.01
技术公布日：2023/9/1