具有电子阻挡层的发光二极管及其制备方法与流程

1.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：

2.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。
3.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，电子阻挡层为p型algan。
4.然而，由于第一半导体层与电子阻挡层之间存在极强的极化电场，导致能带弯曲，形成了阻碍空穴向有源层注入的势垒。同时，电子阻挡层会使得材料界面产生大的应力，导致注入有源层中的空穴较少，影响发光二极管的发光效率。


技术实现要素：

5.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，能够有利于空穴向有源层方向迁移。所述技术方案如下：
6.一方面，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gan层和石墨烯层。
7.在本公开的一种实现方式中，所述gan层的生长厚度为3～6nm。
8.在本公开的一种实现方式中，所述石墨烯层的厚度为2～4nm。
9.在本公开的一种实现方式中，所述电子阻挡层还包括p型al
x
ga
1-x
n层，0.05＜x＜0.2；
10.所述p型al
x
ga
1-x
n层生长在所述石墨烯层背向所述gan层的一面。
11.在本公开的一种实现方式中，所述p型al
x
ga
1-x
n层的mg的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
，生长厚度为3～10nm。
12.在本公开的一种实现方式中，所述电子阻挡层还包括inyga
1-y
n层，0.1＜y＜0.5；
13.所述inyga
1-y
n层生长在所述p型al
x
ga
1-x
n层背向所述gan层的一面。
14.在本公开的一种实现方式中，所述inyga
1-y
n层的生长厚度为3～6nm。
15.在本公开的一种实现方式中，所述gan层、石墨烯层、所述p型al
x
ga
1-x
n层、所述inyga
1-y
n层依次周期性叠设，周期数为3～15。
16.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：
17.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；
18.生长所述电子阻挡层包括：
19.依次生长gan层和石墨烯层。
20.在本公开的一种实现方式中，生长所述电子阻挡层，还包括：
21.周期性的依次生长所述gan层、所述石墨烯层、p型al
x
ga
1-x
n层和inyga
1-y
n层，周期数为3～15。
22.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
23.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gan层和石墨烯层。石墨烯为新型二维纳米材料，具有较高的热传导系数和较强的导电性能。并且，石墨烯原子的排列与gan材料的原子排列相似，稳定性好，所以能够对从有源层延伸的位错起到阻断作用，增加表面平整度，有利于空穴向有源层方向迁移。如此一来，使得注入有源层中的空穴增多，提高发光二极管的发光效率。
附图说明
24.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。
25.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；
26.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；
27.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。
28.图中各符号表示含义如下：
29.10、衬底；
30.20、第一半导体层；
31.30、有源层；
32.40、电子阻挡层；
33.410、gan层；420、石墨烯层；430、p型al
x
ga
1-x
n层；440、inyga
1-y
n层；
34.50、第二半导体层；
35.60、缓冲层；
36.70、u型gan层。
具体实施方式
37.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。
38.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。由于第一半导体层与电子阻挡层之间存在极强的极化电场，导致能带弯曲，形成了阻碍空穴向有源层注入的势垒。同时，电子阻挡层会使得材料界面产生大的应力，导致注入有源层中的空穴较少，影响发光
二极管的发光效率。
39.为了解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种具有发光二极管，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20、有源层30、电子阻挡层40和第二半导体层50。电子阻挡层40包括依次叠设的gan层410和石墨烯层420。
40.本公开实施例提供的发光二极管包括电子阻挡层40，电子阻挡层40包括依次叠设的gan层410和石墨烯层420。石墨烯为新型二维纳米材料，具有较高的热传导系数和较强的导电性能。并且，石墨烯原子的排列与gan材料的原子排列相似，稳定性好，所以能够对从有源层30延伸的位错起到阻断作用，增加表面平整度，有利于空穴向有源层30方向迁移。如此一来，使得注入有源层30中的空穴增多，提高发光二极管的发光效率。
41.在一些示例中，发光二极管包括衬底10，第一半导体层20、有源层30、电子阻挡层40和第二半导体层50依次生长在衬底10的一面。在另一些示例中，发光二极管也能够不具有衬底10，本公开对此不作限制。
42.示例性的，gan层410的生长厚度为3～6nm。
43.在上述实现方式中，将gan层410的生长厚度设计为上述数值，既能够保证gan层410的功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。
44.示例性的，石墨烯层420的生长厚度为2～4nm。
45.在上述实现方式中，将石墨烯层420的生长厚度设计为上述数值，既能够保证石墨烯层420的功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。
46.继续参见图1，在本实施例中，电子阻挡层40还包括p型al
x
ga
1-x
n层430，0.05＜x＜0.2。p型al
x
ga
1-x
n层430生长在石墨烯层420背向gan层410的一面。
47.在上述实现方式中，掺杂的p型al
x
ga
1-x
n层430，一方面al的能阶比较高，可以阻挡电子溢流，另一方面p型掺杂可以提供少部分空穴，增加空穴的注入量和增加空穴扩展，同时也对溢流的电子有消耗作用。
48.示例性的，p型al
x
ga
1-x
n层430的mg的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
，p型al
x
ga
1-x
n层430的生长厚度为3～10nm。
49.在上述实现方式中，将p型al
x
ga
1-x
n层430的生长厚度设计为上述数值，既能够保证p型al
x
ga
1-x
n层430的功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。
50.继续参见图1，在本实施例中，电子阻挡层40还包括inyga
1-y
n层440，0.1＜y＜0.5。inyga
1-y
n层440生长在p型al
x
ga
1-x
n层430背向gan层410的一面。
51.在上述实现方式中，石墨烯层420、p型al
x
ga
1-x
n层430和inyga
1-y
n层440之间能够形成二维电子气，二维电子气对有源层30中的电子存在排斥力，能够有效将电子限制在有源层30中。
52.示例性的，inyga
1-y
n层440的生长厚度为3～6nm。
53.在上述实现方式中，将inyga
1-y
n层440的生长厚度设计为上述数值，既能够保证inyga
1-y
n层440的功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。
54.在本实施例中，gan层410、石墨烯层420、p型al
x
ga
1-x
n层430、inyga
1-y
n层440依次周期性叠设，周期数为3～15。
55.在上述实现方式中，电子阻挡层由如上四个子层周期性的依次叠设，电子阻挡层
能够作为空穴迁移到有源层30的通道，促进了电子与空穴之间有效的复合，从而提高发光二极管的发光效率和光电性能。
56.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，亮度之比为154.1：147.3。
57.继续参见图1，在本实施例中，第一半导体层20为重掺si的n型gan层410，第一半导体层20的厚度为3～4um。
58.在本实施例中，有源层30为多量子阱结构，有源层30包括依次周期性叠设的ingan阱层和gan垒层。单层有源层30的ingan阱层的生长厚度为2.5nm～4.5nm，单层有源层30的gan垒层的生长厚度为8nm～12nm。
59.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30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。
60.另外，将有源层30的生长厚度设计为上述数值，既能够保证有源层30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。
61.在本实施例中，第二半导体层50为掺mg的p型gan层，第二半导体层50的生长厚度为100～750nm。
62.当外延层中有电流通过时，第二半导体层50的空穴与第一半导体层20的电子会向有源层30移动，二者在有源层30进行复合发光。另外，将第二半导体层50的生长厚度设计为上述数值，既能够保证第二半导体层50功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。
63.示例性的，第二半导体层50的mg的掺杂浓度1
×
10
17
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
。第二半导体层50的mg掺浓度远远大于电子阻挡层40的mg掺浓度。
64.也就是说，第一半导体层20为n型层，第二半导体层50为p型层，以形成p-n结。
65.在本实施例中，发光二极管还包括缓冲层60，缓冲层60生长在衬底10的朝向第一半导体层20的一面，也即位于衬底10和第一半导体层20之间，缓冲层60为aln层。
66.通过缓冲层60能够有效的减少衬底10和第一半导体层20之间的晶格失配问题，从而减少位错和裂纹的产生。
67.示例性的，缓冲层60的生长厚度为20-50nm。
68.在本实施例中，发光二极管还包括非掺杂的u型gan层70，u型gan层70的生长厚度为2～3.5um。
69.若u型gan层70的厚度过薄，会增加后续生长的结构中的位错密度，u型gan层70的厚度过厚，则会增大外延片的正向电阻。
70.图2为本公开实施例提供的一种具有电子阻挡层40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：
71.步骤201：依次生长第一半导体层20、有源层30、电子阻挡层40和第二半导体层50。
72.在步骤201中，生长电子阻挡层40包括：依次生长gan层410和石墨烯层420。
73.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40的发光二极管，电子阻挡层40包括依次生长gan层410和石墨烯层420。石墨烯为新型二维纳米材料，具有较高的热传导系数和较强的导电性能。并且，石墨烯原子的排列与gan材料的原子排列相
似，稳定性好，所以能够对从有源层30延伸的位错起到阻断作用，增加表面平整度，有利于空穴向有源层30方向迁移。如此一来，使得注入有源层30中的空穴增多，提高发光二极管的发光效率。
74.图3为本公开实施例提供的另一种具有电子阻挡层40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：
75.步骤301：提供一衬底10。
76.示例性的，将衬底10升温至1000～1200℃进行表面清洁处理，持续5～10min，之后将衬底10置于金属有机化学气相沉积(mocvd)设备中。
77.步骤302：在衬底10的一面生长缓冲层60。
78.在步骤302中，将缓冲层60的生长温度设置为750～900℃，生长压力设置为100～300torr，生长出生长厚度为20～50nm的aln层。
79.步骤303：在缓冲层60的一面生长u型gan层70。
80.在步骤303中，在高温条件下生长非掺杂的u型gan层70，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为2～3.5um。
81.步骤304：在u型gan层70的一面生长第一半导体层20。
82.在步骤304中，第一半导体层20为重掺si的n型gan层410，第一半导体层20的生长温度设置为1000～1200℃，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为3～4um。
83.步骤305：在第一半导体层20的一面生长有源层30。
84.在步骤305中，将有源层30的生长温度设置为720～950℃，生长压力设置为100～500torr，生长出周期性层叠的ingan阱层和gan垒层。
85.示例性的，单层有源层30的ingan阱层的生长厚度为2.5nm～4.5nm，单层有源层30的gan垒层的生长厚度为8nm～12nm。
86.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30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。
87.步骤306：在有源层30的一面生长电子阻挡层40。
88.在本实施例中，步骤306包括以下步骤：
89.步骤3061：生长gan层410。
90.在步骤3061中，将生长温度设置为700～1000℃，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为3～6nm。
91.步骤3062：在gan层410的一面生长石墨烯层420。
92.在步骤3062中，将外延片模板从金属有机化学气相沉积设备转移至化学气相沉积(cvd)设备中，将生长温度设置为800～1000℃，生长压力设置为10～500mbar，生长厚度设置为2～4nm，载气设置为h2与ar，ch4的通入质量流量为200～1000sccm。
93.石墨烯为新型二维纳米材料，具有较高的热传导系数和较强的导电性能。并且，石墨烯原子的排列与gan材料的原子排列相似，稳定性好，所以能够对从有源层30延伸的位错起到阻断作用，增加表面平整度，有利于空穴向有源层30方向迁移。如此一来，使得注入有
源层30中的空穴增多，提高发光二极管的发光效率。并且，将石墨烯层420的生长厚度设计为上述数值，既能够保证石墨烯层420的功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。
94.步骤3063：在石墨烯层420的一面生长p型al
x
ga
1-x
n层430。
95.在步骤3063中，将外延片模板从化学气相沉积设备转移至金属有机化学气相沉积设备中，将生长温度设置为900～1000℃，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为3～10nm。
96.在上述实现方式中，掺杂的p型al
x
ga
1-x
n层430，一方面al的能阶比较高，可以阻挡电子溢流，另一方面p型掺杂可以提供少部分空穴，增加空穴的注入量和增加空穴扩展，同时也对溢流的电子有消耗作用。
97.示例性的，p型al
x
ga
1-x
n层430掺杂mg，p型al
x
ga
1-x
n层430mg的掺杂浓度设置为1
×
10
17
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
。
98.步骤3064：在p型al
x
ga
1-x
n层430的一面生长非掺杂的inyga
1-y
n层440。
99.在步骤3064中，将生长温度设置为900～1000℃，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为3～6nm。
100.在上述实现方式中，石墨烯层420、p型al
x
ga
1-x
n层430和inyga
1-y
n层440之间能够形成二维电子气，二维电子气对有源层30中的电子存在排斥力，能够有效将电子限制在有源层30中。
101.在本实施例中，步骤3064和步骤3063的生长温度设置和生长压力设置相同，有效的简化了生长工艺。
102.周期性的重复步骤3061～3064，从而生长得到周期性的依次生长的gan层410、石墨烯层420、p型al
x
ga
1-x
n层430和inyga
1-y
n层440。
103.示例性的，周期数为3～15。
104.在上述实现方式中，电子阻挡层由如上四个子层周期性的依次叠设，电子阻挡层能够作为空穴迁移到有源层30的通道，促进了电子与空穴之间有效的复合，从而提高发光二极管的发光效率和光电性能。
105.步骤307：在电子阻挡层40的一面生长第二半导体层50。
106.在步骤307中，将第二半导体层50的生长温度设置为800～980℃，生长压力设置为100～500torr，生长厚度设置为100～750nm，生长出掺mg的p型gan层。
107.当外延层中有电流通过时，第二半导体层50的空穴与第一半导体层20的电子会向有源层30移动，二者在有源层30进行复合发光。另外，将第二半导体层50的生长厚度设计为上述数值，既能够保证第二半导体层50功能性，又能够提高生长效率，降低制备成本。
108.示例性的，第二半导体层50的mg的掺杂浓度1
×
10
17
cm-3
～1
×
10
19
cm-3
。第二半导体层50的mg掺浓度远远大于电子阻挡层40的mg掺浓度。
109.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。
110.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。

技术特征：
1.一种发光二极管，包括：依次叠设的第一半导体层(20)、有源层(30)、电子阻挡层(40)和第二半导体层(50)，其特征在于，所述电子阻挡层(40)包括依次叠设的gan层(410)和石墨烯层(420)。2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述gan层(410)的生长厚度为3～6nm。3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述石墨烯层(420)的厚度为2～4nm。4.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(40)还包括p型al
x
ga
1-x
n层(430)，0.05＜x＜0.2；所述p型al
x
ga
1-x
n层(430)生长在所述石墨烯层(420)背向所述gan层(410)的一面。5.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述p型al
x
ga
1-x
n层(430)的mg的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3
～1
×
10
18
cm-3
，生长厚度为3～10nm。6.根据权利要求4所述的发光二极管，其特征在于，所述电子阻挡层(40)还包括in
y
ga
1-y
n层(440)，0.1＜y＜0.5；所述in
y
ga
1-y
n层(440)生长在所述p型al
x
ga
1-x
n层(430)背向所述gan层(410)的一面。7.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述in
y
ga
1-y
n层(440)的生长厚度为3～6nm。8.根据权利要求6所述的发光二极管，其特征在于，所述gan层(410)、石墨烯层(420)、所述p型al
x
ga
1-x
n层(430)、所述in
y
ga
1-y
n层(440)依次周期性叠设，周期数为3～15。9.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，包括：依次生长第一半导体层(20)、有源层(30)、电子阻挡层(40)和第二半导体层(50)；生长所述电子阻挡层(40)包括：依次生长gan层(410)和石墨烯层(420)。10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，生长所述电子阻挡层(40)，还包括：周期性的依次生长所述gan层(410)、所述石墨烯层(420)、p型al
x
ga
1-x
n层(430)和in
y
ga
1-y
n层(440)，周期数为3～15。

技术总结
本公开提供了一种具有电子阻挡层的发光二极管及其制备方法，属于半导体器件领域。该发光二极管包括：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，电子阻挡层包括依次叠设的GaN层和石墨烯层。本公开能够有利于空穴向有源层方向迁移。有利于空穴向有源层方向迁移。有利于空穴向有源层方向迁移。


技术研发人员：李翠玲 纪磊 蒋媛媛 从颖 梅劲
受保护的技术使用者：华灿光电（苏州）有限公司
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/8/1