一种发光二极管及半导体器件的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种发光二极管(led，light
‑
emitting diode)及半导体器件。


背景技术：

2.氮化镓基led利用电子与空穴复合时辐射出可见光的特性进行发光，具有节能、使用寿命长、体积小等特点，在照明领域应用极为广泛，例如，可以用做显示、指示、装饰、照明设备等。但目前具有外延结构的led，内部发光效率一般在50％
‑
80％之间，发光效率不高，尤其是外延结构所包含的功能层较多，功能层之间不合理的搭配相互影响，尤其是发光层与电子阻挡层之间以及发光层内部结构的搭配，导致一部分载流子发生非复合辐射增加，影响led的出光效率。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供发光二极管及半导体器件，以提高发光二极管的内部发光效率。
4.第一方面，本实用新型实施例提供了发光二极管，包括：
5.衬底、在衬底上依次外延生长的缓冲层、n型氮化镓层、发光区缓冲层、第一发光层、第二发光层、电子阻挡层以及p型氮化镓层，其中，
6.第二发光层包括一个或多个发光阱
‑
势垒对子层；
7.发光区缓冲层的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第一倍数；
8.第一发光层的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第二倍数，所述第二倍数小于第一倍数；
9.电子阻挡层的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第三倍数，所述第三倍数小于第一倍数。
10.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述发光阱
‑
势垒对子层的厚度为所述第一倍数为20～40，所述第二倍数为2.5～8，所述第三倍数为1～6。
11.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述发光阱
‑
势垒对子层的厚度为所述第一倍数为25～40，所述第二倍数为3～8，所述第三倍数为2～6。
12.结合第一方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述发光区缓冲层的厚度为所述第一发光层的厚度为所述电子阻挡层的厚度为
13.结合第一方面的第二种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述发光区缓冲层的厚度为所述第一发光层
的厚度为所述电子阻挡层的厚度为
14.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述发光区缓冲层、所述第一发光层、所述第二发光层均为含al、in的n型掺杂氮化物半导体，其中第二发光层中al原子平均浓度＞第一发光层中al原子平均浓度＞发光区缓冲层中al原子平均浓度。
15.结合第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述第二发光层中in原子平均浓度＞第一发光层中in原子平均浓度＞发光区缓冲层中in原子平均浓度。
16.结合第一方面的第六种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述发光区缓冲层中n型杂质原子平均浓度＞第二发光层中n型杂质原子平均浓度≥第一发光层中n型杂质原子平均浓度。
17.结合第一方面的第六种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述发光区缓冲层包括一个或多个依次外延生长的子层对，所述发光区缓冲层中的前一子层对的in含量小于后一子层对的in含量。
18.结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述第二发光层包括：第一发光阱
‑
势垒对子层以及第二发光阱
‑
势垒对子层，所述第一发光阱
‑
势垒对子层包括：第一发光阱子层以及第一发光势垒子层，所述第二发光阱
‑
势垒对子层包括：第二发光阱子层以及第二发光势垒子层，其中，
19.所述第一发光阱子层外延生长在所述第一发光层上，所述第一发光势垒子层外延生长在所述第一发光阱子层上，所述第二发光阱子层外延生长在所述第一发光势垒子层上，所述第二发光势垒子层外延生长在所述第二发光阱子层上。
20.所述发光阱
‑
势垒对子层包括：发光阱子层以及势垒子层，所述势垒子层外延生长在所述发光阱子层上，所述第二发光层为发光阱子层与势垒子层交替层叠的周期性结构。
21.优选地，在所述n型杂质为硅，在n型氮化镓层中，硅原子摩尔浓度为10
18
/cm3～10
21
/cm3，在所述发光区缓冲层中硅原子摩尔浓度为10
18
/cm3～10
19
/cm3，所述第二发光层中硅原子摩尔浓度为10
17
/cm3～10
18
/cm3，所述第一发光层中硅原子摩尔浓度为10
17
/cm3～10
19
/cm3。
22.更进一步地，所述发光阱
‑
势垒对子层包括：发光阱子层以及势垒子层，所述势垒子层外延生长在所述发光阱子层上，所述第二发光层为发光阱子层与势垒子层交替层叠的周期性结构，所述周期数为3～15。
23.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种半导体器件，包括如上所述的发光二极管。
24.本实用新型实施例提供的发光二极管及半导体器件，发光二极管包括：衬底、在衬底上依次外延生长的缓冲层、n型氮化镓层、发光区缓冲层、第一发光层、第二发光层、电子阻挡层以及p型氮化镓层，其中，第二发光层包括一个或多个发光阱
‑
势垒对子层；发光区缓冲层的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第一倍数；第一发光层的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第二倍数，所述第二倍数小于第一倍数；电子阻挡层的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第三倍数，所述第三倍数小于第一倍数。
25.同时调整发光区缓冲层、第一发光层、第二发光层中al原子、n型杂质、in原子之间
的浓度关系。这样，通过优化从缓冲层到p型gan层之间各层的最佳匹配厚度，将发光区缓冲层、第一发光层、电子阻挡层的厚度与第二发光层进行关联，从而对各层之间相互影响的匹配性能进行优化，能够有效提升发光二极管的内部发光效率。
26.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
28.图1示出了本实用新型实施例所提供的发光二极管结构示意图；
29.图2示出了本实用新型实施例所提供的发光二极管中，以发光阱
‑
势垒对子层的厚度为基准，不同厚度的发光区缓冲层对应的发光效率关系示意图；
30.图3示出了本实用新型实施例所提供的发光二极管中，以发光阱
‑
势垒对子层的厚度为基准，不同厚度的第二发光层对应的发光效率关系示意图；
31.图4示出了本实用新型实施例所提供的发光二极管中，以发光阱
‑
势垒对子层的厚度为基准，不同厚度的电子阻挡层对应的发光效率关系示意图；
32.图5示出了本实用新型实施例所提供的半导体器件结构示意图。
具体实施方式
33.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
34.现有的led，由于外延结构中，发光层的材料一般采用氮化镓，n型电子的浓度较高，迁移率较大，而发光层上面的p型氮化镓层中，空穴的载流子浓度较小，迁移率较低，使得电子常溢流到p型氮化镓层中，p型氮化镓层产生的载流子有一部分与电子发生非辐射复合，降低了内部发光效率。另外，由于外延结构的各层采用的材料不同，对应的晶格常数不同，由于晶格常数不匹配而产生应力，应力引起的极化场强也会降低led的内部发光效率。本实用新型实施例中，针对外延结构所包含的层数较多、且各层之间相互影响制约，因而，在充分考虑各层之间相互影响的条件下，通过优化外延结构的各层的厚度，降低载流子与电子发生非辐射复合的概率，以及，优化各层的材料，降低各层晶格常数不匹配产生的应力对内部发光效率的影响，从而提升led的内部发光效率。
35.本实用新型实施例提供了一种发光二极管及半导体器件，下面通过实施例进行描述。
36.图1示出了本实用新型实施例所提供的发光二极管的结构示意图。如图1所示，该发光二极管100包括：
37.衬底101、在衬底101上依次外延生长的缓冲层102、n型氮化镓(gan)层103、发光区缓冲层104、第一发光层105、第二发光层106、电子阻挡层107以及p型氮化镓层108，其中，
38.第二发光层106包括一个或多个发光阱
‑
势垒对子层；
39.发光区缓冲层104的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第一倍数；
40.第一发光层105的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第二倍数，所述第二倍数小于第一倍数；
41.电子阻挡层107的厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的预设第三倍数，所述第三倍数小于第一倍数。
42.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，第一发光层105的结构与第二发光层106的结构相同，均包括一个或多个发光阱
‑
势垒对子层，不同的是，发光阱
‑
势垒对子层中材料中的一些组分含量不同。
43.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，发光阱
‑
势垒对子层包括：发光阱子层以及势垒子层，势垒子层外延生长在发光阱子层上，第二发光层为发光阱子层与势垒子层交替层叠的周期性结构。作为一可选实施例，周期数为3～15。
44.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，发光阱
‑
势垒对子层的层数为2，第二发光层106包括：第一发光阱
‑
势垒对子层1061以及第二发光阱
‑
势垒对子层1062，第一发光阱
‑
势垒对子层1061包括：第一发光阱子层10611以及第一发光势垒子层10612，第二发光阱
‑
势垒对子层1062包括：第二发光阱子层10621以及第二发光势垒子层10622，其中，
45.第一发光阱子层10611外延生长在第一发光层105上，第一发光势垒子层10612外延生长在第一发光阱子层10611上，第二发光阱子层10621外延生长在第一发光势垒子层10612上，第二发光势垒子层10622外延生长在第二发光阱子层10621上。
46.本实用新型实施例中，对于第二发光层106包括更多发光阱
‑
势垒对子层的情形，各发光阱
‑
势垒对子层依次外延生长。
47.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，n型gan层的材料为gan，发光阱子层的材料为ingan，势垒子层的材料为gan，发光区缓冲层包括一个或多个依次外延生长的子层对，每一子层对包括：gan子层以及ingan子层，其中，gan子层的材料为gan，ingan子层的材料为ingan、且发光区缓层的in含量小于第一发光层的发光阱子层的in含量。这样，将发光区缓冲层作为n型gan层和第一发光层的发光阱子层之间的过渡层，由于发光区缓层中的in含量小于第一发光层的发光阱子层的in含量，可以有效缓解n型gan层与第一发光层中发光阱子层的材料不同(晶格常数不同)引起的晶格突变(应力)，能够释放n型gan层和第一发光层由于晶格常数不匹配产生的应力，从而减少由于应力导致的极化场强对发光效率的影响。
48.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，设置发光阱
‑
势垒对子层的厚度为第一倍数为20～40，第二倍数为2.5～8，第三倍数为1～6。作为另一更优的可选实施例，发光阱
‑
势垒对子层的厚度设置为能够使辐射复合效率达到最优的第一倍数为25～40，第二倍数为3～8，第三倍数为2～6。
49.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，发光区缓冲层104的厚度为在该厚度范围内，可以最大限度地释放因n型gan层与第一发光层中的发光阱子层，由于晶格常数不匹配而产生的应力，以及，阻止n型gan层和发光区缓冲层界面处产生的缺陷继续生长。如果发光区缓冲层104的厚度小于该厚度范围，则会造成应力释放不够，如果厚度超出该厚度范围，又将改变光的射出角度，影响led的出光效率。
50.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，若发光区缓冲层104的厚度为设置第一发光层105的厚度为电子阻挡层107的厚度为作为更优的一可选实施例，若发光区缓冲层104的厚度为设置第一发光层105的厚度为电子阻挡层107的厚度为
51.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，发光区缓冲层、第一发光层、第二发光层均为含al、in的n型掺杂氮化物半导体，其中第二发光层中al原子平均浓度＞第一发光层中al原子平均浓度＞发光区缓冲层中al原子平均浓度。
52.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，第二发光层中in原子平均浓度大于第一发光层中in原子平均浓度，第一发光层中in原子平均浓度大于发光区缓冲层中in原子平均浓度。作为另一可选实施例，发光区缓冲层中n型杂质原子平均浓度＞第二发光层中n型杂质原子平均浓度≥第一发光层中n型杂质原子平均浓度。
53.本实用新型实施例中，发光区缓冲层、第一发光层、第二发光层中，均含有一定量的in，使得晶体质量不高，从底层(衬底、缓冲层、n型gan层)产生的缺陷，在这些层中可能不但无法被覆盖，反而会被持续放大和变多，因而，为了提升性能，作为一可选实施例，电子阻挡层的材料为含有掺杂剂的gan，其中，掺杂剂为si、mg、in、al之一或任意组合，这样，可以增加电子阻挡层的禁带宽度，提高对电子的阻挡作用，并利用电子阻挡层的gan较好的长晶质量，起到填充缺陷的作用，其厚度越厚，填充效果越好；但另一方面，由于电子阻挡层含有al等掺杂剂组分，其能障较高，厚度越厚，能障效应越明显，对空穴的阻挡越强，使得进入到第二发光层里空穴就越少，辐射复合效率就下降，因而，作为一可选实施例，第三倍数为1～6，在该厚度范围内，可以兼顾外延片具有优良的表面和较优的能障效应，如果小于该厚度范围，会因对下层(电子阻挡层以下的层)衍生出来的缺陷的覆盖度不够，以及，对电子溢流现象的控制不足，从而导致辐射复合效率不佳；如果大于该厚度，则会因产生吸光现象以及过强的能障效应，造成对光子的吸收和空穴的阻挡，从而影响辐射复合效率。
54.本实用新型实施例中，缓冲层的材料为gan或algan。
55.本实用新型实施例中，n型杂质为硅，作为一可选实施例，n型gan层中，在gan中进行硅(si)掺杂，掺杂的si原子摩尔浓度为10
18
/cm3～10
21
/cm3。
56.本实用新型实施例中，发光区缓冲层可以包含一个或多个依次外延生长的子层对，其中，前一子层对中ingan子层的in含量小于后一子层对中ingan子层的in含量。作为一可选实施例，发光区缓冲层采用的ingan中可以包含超晶格结构,gan和ingan还可以包含有掺杂剂，其中，掺杂剂为al、si之一或任意组合，发光区缓冲层中硅原子摩尔浓度为10
18
/cm3～10
19
/cm3。
57.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，第一发光层采用的材料中，可以包含超晶格结构,还可以在材料中进行al、和/或，si掺杂，其中，si原子摩尔浓度为10
17
/cm3～10
19
/
cm3。
58.本实用新型实施例中，作为一可选实施例，在第二发光层采用的材料中，进行al、和/或，si掺杂，其中，第二发光层中硅原子摩尔浓度为10
17
/cm3～10
18
/cm3。
59.本实用新型实施例中，电子阻挡层可以包含一个或多个子层。
60.本实用新型实施例中，p型gan层的材料为gan，可以在gan中进行mg、和/或，si掺杂。
61.本实用新型实施例中，通过优化从缓冲层到p型gan层之间各层的最佳匹配厚度，使得发光区缓冲层、第一发光层、电子阻挡层的厚度都与第二发光层具有关联，从而对各层之间相互影响的匹配性能进行优化，降低外延结构的各层之间由于厚度不匹配产生的应力失配，以及，由于应力失配引发的载流子非辐射复合，提升辐射复合效率，同时，通过优化外延结构各层的材料，以降低各层晶格常数不匹配产生的应力对内部发光效率的影响，从而提升内部发光效率。
62.图2示出了本实用新型实施例所提供的发光二极管中，以发光阱
‑
势垒对子层的厚度为基准，不同厚度的发光区缓冲层对应的发光效率关系示意图。如图2所示，图中，发光阱
‑
势垒对子层厚度为mqw thx，mqw thx*15～20表示发光区缓冲层厚度为发光阱
‑
势垒对子层厚度的15～20倍，通过将发光区缓冲层厚度调整为mqw thx*15～50，可使发光效率(lop，light output power)维持在85％以上，尤其是发光区缓冲层厚度为mqw thx*25～40时，lop接近100％。
63.图3示出了本实用新型实施例所提供的发光二极管中，以发光阱
‑
势垒对子层的厚度为基准，不同厚度的第二发光层对应的发光效率关系示意图。如图3所示，图中，lop均高于94％，尤其第二发光层厚度为mqw thx*2.5～8时，lop接近100％。
64.图4示出了本实用新型实施例所提供的发光二极管中，以发光阱
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势垒对子层的厚度为基准，不同厚度的电子阻挡层对应的发光效率关系示意图。如图4所示，图中，lop均高于97％，尤其电子阻挡层厚度为mqw thx*1～6时，lop接近100％。
65.本实用新型还提供了一种半导体器件200，其包括采用上述实施方式形成的发光二极管100，在一实施例中，参考附图5，该半导体器件200为一正装led结构，其包括设置于p型氮化镓层108上并与其电性连接的p电极201，以及设置于n型氮化镓层上并与其电性连接的n电极202。
66.p电极201与n电极202外接电源时，n型氮化镓层103中产生的电子将向正方向扩散进入发光层(105,106)，p型氮化镓层108中的空穴将向负方向扩散，进入发光层(105，106)。进入发光层(105，106)的电子和空穴由于异质结势垒层的作用，而被封闭在发光层(105，106)内，当电子经跃迁与空穴复合时，将产生自发辐射光。
67.进一步地，为增加光从半导体器件200正面出光量，通常在衬底101背面设置反射层203，反射层为分布布拉格反射层或者具有高反射率的金属反射层。
68.在另一实施方式中，发光二极管100还可以通过刻蚀工艺、蒸镀工艺、研磨工艺等形成其它结构的半导体器件200，例如倒装结构的led或者高压结构的led或者垂直结构的led或者包含上述发光二极管100的照明装置。
69.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第
一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
70.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本技术的具体实施方式，用以说明本技术的技术方案，而非对其限制，本技术的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。