发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

本发明涉及发光二极管制作领域，特别涉及发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

发光二极管是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等，提高芯片发光效率是发光二极管不断追求的目标。

发光二极管外延片是用于制备发光二极管的基础结构，发光二极管外延片通常包括衬底及在衬底上依次生长的AlN层、GaN缓冲层、n型GaN层、多量子阱层及p型GaN层。GaN缓冲层在一定程度上可以缓解n型GaN层与衬底之间的晶格失配，以提高n型GaN层及n型GaN层上生长的多量子阱层及p型GaN层的晶体质量。

但GaN缓冲层本身在AlN层上生长时，也会积累一些位错缺陷，这些位错缺陷会延伸至n型GaN层等结构中，导致最终得到的n型GaN层、多量子阱层及p型GaN层的晶体质量的提高有限。

发明内容

本发明实施例提供了发光二极管外延片及其制备方法，能够减小发光二极管外延片中存在的缺陷以提高最终得到的发光二极管外延片的晶体质量。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的AlN层、缓冲层、n型GaN层、多量子阱层与p型GaN层，

所述缓冲层包括依次层叠在所述AlN层上的第一子层与第二子层，所述第一子层为第一GaN层，所述第二子层包括交替层叠的第二GaN层和BGaN层。

可选地，所述第一子层的厚度与所述第二子层的厚度之比为1：10~1:1。

可选地，所述第一子层的厚度为30~100nm，所述第二子层的厚度为30~200nm。

可选地，所述第二GaN层的厚度为20nm~150nm，所述BGaN层的厚度为10nm~50nm。

本公开实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长AlN层；

在所述AlN层上生长缓冲层，所述缓冲层包括依次层叠在所述AlN层上的第一子层与第二子层，所述第一子层为第一GaN层，所述第二子层包括交替层叠的第二GaN层和BGaN层；

在所述缓冲层上依次生长n型GaN层、多量子阱层、p型GaN层。

可选地，在所述AlN层上生长缓冲层，包括：

在纯氮气氛围下，在所述AlN层上生长多个间隔分布的GaN岛状结构；

在纯氮气氛围与纯氢气氛围交替切换的氛围环境下，在GaN岛状结构生长GaN材料直至多个所述GaN岛状结构生长合并形成第一子层；

在所述第一子层上生长第二子层。

可选地，向所述反应腔通入流量为200sccm~500sccm的Ga源，向所述反应腔通入流量为50sccm~150sccm的氨气，向所述反应腔通入流量为100sccm~200sccm 的氮气，以在所述AlN层上生长多个间隔分布的GaN岛状结构。

可选地，所述GaN岛状结构的生长时间为100s~600s。

可选地，所述多个GaN岛状结构生长合并形成第一子层的过程中，所述多个GaN岛状结构在纯氮气氛围下生长的时长与所述多个GaN岛状结构在纯氢氛围下生长的时长之比为3:1~1:1。

可选地，所述多个GaN岛状结构生长合并形成第一子层的过程中，

所述多个GaN岛状结构在纯氮气氛围下生长时，所使用的载气为氮气；

所述多个GaN岛状结构在纯氢气氛围下生长时，所使用的载气为氢气。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

将发光二极管外延片中，AlN层与n型GaN层之间的缓冲层设置为包括第一子层与第二子层，为第一GaN层的第一子层作为基础过渡，缓解AlN层与第一子层之间的晶格失配，并可以由AlN层良好过渡至第二子层与n型GaN层。层叠在第一子层上的第二子层包括有交替层叠的第二GaN层和BGaN层，一方面可以有效释放应力并减小缺陷；另一方面第二GaN层与第一GaN层之间的晶格失配较小，可以进一步缓解AlN层与n型GaN层之间的晶格失配，并为后续外延结构的生长提供一个良好的基础，而BGaN层由于B原子体积较小，可以插入或填充位错造成的空白位置，减少缓冲层内部所存在的缺陷，且B原子可以起到一定的定位作用，避免位错继续移动至n型GaN层与多量子阱层中，有效提高最终得到的发光二极管外延片的晶体质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。

图1是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图；

图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管外延片的制备方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种发光二极管外延片，该发光二极管外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的AlN层2、缓冲层3、n型GaN层4、多量子阱层5与p型GaN层6。

缓冲层3包括依次层叠在AlN层2上的第一子层31与第二子层32，第一子层31为第一GaN层，第二子层32包括交替层叠的第二GaN层321和BGaN层322。

将发光二极管外延片中，AlN层2与n型GaN层4之间的缓冲层3设置为包括第一子层31与第二子层32，为第一GaN层的第一子层31作为基础过渡，缓解AlN层2与第一子层31之间的晶格失配，并可以由AlN层2良好过渡至第二子层32与n型GaN层4。层叠在第一子层31上的第二子层32包括有交替层叠的第二GaN层321和BGaN层322，一方面可以有效释放应力并减小缺陷；另一方面第二GaN层321与第一GaN层之间的晶格失配较小，可以进一步缓解AlN层2与n型GaN层4之间的晶格失配，并为后续外延结构的生长提供一个良好的基础，而BGaN层322由于B原子体积较小，可以插入或填充位错造成的空白位置，减少缓冲层3内部所存在的缺陷，且B原子可以起到一定的定位作用，避免位错继续移动至n型GaN层4与多量子阱层5中，有效提高最终得到的发光二极管外延片的晶体质量。

需要说明的是，多量子阱层5的晶体质量的提高，可以减少多量子阱层5的内部缺陷，以减少载流子会在多量子阱层5内发生非辐射复合的概率，载流子辐射复合的概率增加，发光二极管的发光强度增加。

示例性地，第一子层31的厚度为30~100nm，第二子层32的厚度为30~200nm。

第一子层31的厚度与第二子层32的厚度在以上范围内时，最终得到的缓冲层3本身的质量较好，在缓冲层3上生长的n型GaN层4的质量较好。

可选地，第一子层31的厚度与第二子层32的厚度之比为1：10~1:1。

第一子层31的厚度与第二子层32的厚度之比在以上范围内时，第一子层31本身具有较好的生长质量，在第一子层31上生长的第二子层32的质量也较好，同时第二子层32本身可以阻挡较多的缺陷，最终得到的缓冲层3及缓冲层3上生长的n型GaN层4的质量可以得到有效提高。

示例性地，第二GaN层321的厚度为20nm~150nm，BGaN层322的厚度为10nm~50nm。

第二GaN层321的厚度与BGaN层322的厚度在以上范围内时，可以对缓冲层3内的应力进行有效释放。且第二GaN层321可以实现良好的过渡，BGaN层322也可以阻挡较多缺陷，最终得到的缓冲层3的质量可以具有大幅度提高。

可选地，第二GaN层321与BGaN层322的层数可相同，且第二GaN层321与BGaN层322的层数为4~20。

第二GaN层321与BGaN层322的层数相同且均位于以上范围内时，能够得到质量较好的第二子层32，以提高在第二子层32上生长的n型GaN层4的质量。

图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图，参考图2可知，在本公开提供的另一种实现方式中，发光二极管外延片可包括衬底1及生长在衬底1上的AlN层2、缓冲层3、非掺杂GaN层7、n型GaN层4、多量子阱层5、AlGaN电子阻挡层8、p型GaN层6及p型接触层9。

需要说明的是，图2中所示的缓冲层3与图1中所示的缓冲层3的结构相同，此处不再赘述。

可选地，衬底1可为蓝宝石衬底1。易于制作与获取。

示例性地，AlN层2的厚度可为10~50nm。也可以起到一定的缓解晶格失配的作用。

示例性地，非掺杂GaN层7的厚度可为0.5~3µm。此时得到的发光二极管外延片的质量较好。

在本公开提供的一种实现方式中，非掺杂GaN层7的厚度还可为1µm。本公开对此不做限制。

可选地， n型GaN层4的掺杂元素可为Si，且Si元素的掺杂浓度可为1×10

示例性地，n型GaN层4的厚度可为0.5~3µm。得到的n型GaN层4整体的质量较好。

在本公开提供的一种实现方式中，n型GaN层4的厚度可为2µm。本公开对此不做限制。

示例性地，多量子阱层5包括多个交替层叠的InGaN阱层51及GaN垒层52，InGaN阱层51的厚度可为2~5nm，GaN垒层52的厚度可为8~20nm。

InGaN阱层51的层数与GaN垒层52的层数均可为8~15。得到的多量子阱层5的结构较好。

可选地，AlGaN电子阻挡层8中Al组分可为0.15~0.25。阻挡电子的效果较好。

可选地，AlGaN电子阻挡层8的厚度可为20~100nm。得到的AlGaN电子阻挡层8的质量较好。

能够提供足够的空穴，并保证发光二极管外延片整体的成本不会过高。

可选地，p型GaN层6可掺Mg，p型GaN层6的厚度可为100~200nm。

示例性地，p型接触层9的厚度可为10~50nm。

需要说明的是，图2中所示的外延片结构相对图1中所示的外延片结构，在多量子阱层5与p型GaN层6之间增加了阻止电子溢流的AlGaN电子阻挡层8，并在p型GaN层6上还生长有p型接触层9。得到的外延片的质量及发光效率会更好。

图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图3所示，该发光二极管外延片制备方法包括：

S101：提供一衬底。

S102：在衬底上生长AlN层。

S103：在AlN层上生长缓冲层，缓冲层包括依次层叠在AlN层上的第一子层与第二子层，第一子层为第一GaN层，第二子层包括交替层叠的第二GaN层和BGaN层。

S104：在缓冲层上依次生长n型GaN层、多量子阱层、p型GaN层。

图3中所示方法的技术效果，可参考图1中所示的发光二极管外延片的技术效果，因此此处不再对图3中所示方法的技术效果进行赘述。执行完步骤S104之后的发光二极管外延片结构则可参考图1。

图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图4所示，该发光二极管外延片制备方法包括：

S201：提供一衬底。

其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。

示例性地，衬底的尺寸可为2英寸、4英寸或6英寸。易于制备与获取。

可选地，步骤S201还可包括：在氢气氛围下，处理衬底用于生长外延层的表面5~6min。

示例性地，处理衬底用于生长外延层的表面时，反应腔的温度可为1000~1100℃，反应腔的压力可为200~500Torr。

S202：在衬底上生长AlN层。

AlN层可通过磁控溅射得到。

示例性地，AlN层的沉积温度可为400~800℃，溅射功率可为3000~5000W，压力可为2~20mtorr。得到的AlN层的质量较好。

S203：在AlN层上生长缓冲层。

步骤S203，可包括：在纯氮气氛围下，在AlN层上生长多个间隔分布的GaN岛状结构；在纯氮气氛围与纯氢气氛围交替切换的氛围环境下，在GaN岛状结构生长GaN材料直至多个GaN岛状结构生长合并形成第一子层；在第一子层上生长第二子层。

氮气的物理粘滞系数较大，在形成GaN岛状结构的过程中，更有利于单个GaN岛状结构吸附有机金属源与反应气体进行纵向生长，可以在AlN层上形成体积较大、厚度较高，而个数不会过多的GaN岛状结构，这些GaN岛状结构最终生长合并为第一子层时，相互之间由于合并产生的缺陷较少，可以减少第一子层中最终会存在的缺陷，提高缓冲层整体的晶体质量。在GaN岛状结构继续生长的过程中，使反应腔内的气氛环境在纯氮气氛围与纯氢气氛围之间交替切换，氢气的物理性质粘滞系数较小，可有机金属源与反应气体在纯氢气氛围下更容易横向移动与扩展，实现GaN岛状结构的横向扩展与合并。纯氮气氛围与纯氢气氛围交替切换，可以在最终实现GaN岛状结构的横向扩展的过程中，有效增大GaN岛状结构本身的体积，延迟GaN岛状结构进行合并的时间，增大GaN岛状结构本身的体积，并减小由合并产生的缺陷。并且合并时间较迟，最后合并时也可以有效释放GaN岛状结构生长过程中积累的应力，提高第一子层的晶体质量。

需要说明的是，本公开所提供的纯氢气氛围或纯氢气氛围，指的是在通入有机金属源与反应气体之前的反应腔的氛围。

步骤S203中，反应腔内的纯氮气氛围与纯氢气氛围，均可通过持续向反应腔内通入同一种类的气体，并替换反应腔内原本的气体环境实现。通常向反应腔内通入5~20s的氮气或者向反应腔通入5~20s的氢气可以实现反应腔内保持纯氮气氛围或纯氢气氛围。

步骤S203中，可以向反应腔通入流量为200sccm~500sccm的Ga源，向反应腔通入流量为50sccm~150sccm的氨气，向反应腔通入流量为100sccm~200sccm 的氮气，以在AlN层上生长多个间隔分布的GaN岛状结构。

通入以上流量的Ga源、氨气与氮气，可以得到质量较好的GaN岛状结构，由于通入的氮气的流量较大，在GaN岛状结构生长过程中，氮气也可以起到吸附有机金属源的作用，促进GaN岛状结构的成形，提高GaN岛状结构的生长效率。

可选地，可以向反应腔通入时长为100s~600s的流量为200sccm~500sccm的Ga源，向反应腔通入流量为50sccm~150sccm的氨气，向反应腔通入流量为100sccm~200sccm 的氮气，以在AlN层上生长多个间隔分布的GaN岛状结构。

GaN岛状结构的成形时长为以上范围，所得到的GaN岛状结构的高度较为恰当，且可以在后续过程中继续生长并合并为厚度适中、质量较好的第一子层。

步骤S203中的，多个GaN岛状结构生长合并形成第一子层的过程中，多个GaN岛状结构在纯氮气氛围下生长的时长与多个GaN岛状结构在纯氢氛围下生长的时长之比为3:1~1:1。

GaN岛状结构在纯氮气氛围下生长的时长与多个GaN岛状结构在纯氢氛围下生长的时长之比在以上范围内，可以保证GaN岛状结构可以均匀稳定地横向与纵向生长，最终得到的第一子层的质量较好。

需要说明的是，GaN岛状结构在纯氮气氛围下生长时，通入反应腔内的材料为Ga源、氮气与氨气；GaN岛状结构在纯氢气氛围下生长时，通入反应腔内的材料为Ga源、氢气与氨气。

可选地，GaN岛状结构每次在纯氮气氛围下进行的时长可为10s~200s，GaN岛状结构每次在纯氢气氛围下进行的时长可为10s~200s。最终得到的第一子层的质量较好，均匀度也较好。

示例性地，每次在纯氮气氛围下，向反应腔通入流量为200sccm~500sccm的Ga源，向反应腔通入流量为50sccm~150sccm的氨气，向反应腔通入流量为100sccm~200sccm的氮气，在GaN岛状结构上沉积GaN材料；每次在纯氢气氛围下，向反应腔通入流量为200sccm~500sccm的Ga源，向反应腔通入流量为50sccm~150sccm的氨气，向反应腔通入流量为100sccm~300sccm的氢气，在GaN岛状结构上沉积GaN材料。

采用上一段中的设置能够得到质量较好的第一子层，第一子层中留存的缺陷较少。

步骤S203，还可包括，关闭Ga源、氮气与氨气，将纯氮气氛围切换至纯氢气氛围，或者关闭Ga源、氢气与氨气，将纯氢气氛围切换至纯氮气氛围。

切换氛围的过程中，是不通入Ga源进行生长的，仅通入需要切换的氮气或氢气。这一过程接近退火处理，也可以在一定程度上释放GaN岛状结构生长积累的应力，提高最终得到的缓冲层的晶体质量。

可选地，多个GaN岛状结构生长合并形成第一子层的过程中，多个GaN岛状结构在纯氮气氛围下生长时，所使用的载气为氮气；多个GaN岛状结构在纯氢气氛围下生长时，所使用的载气为氢气。可以保证反应腔内气体环境的纯净，以保证GaN材料的稳定沉积与生长。

需要说明的是，多个GaN岛状结构生长合并形成第一子层的过程中，向反应腔内通入的氮气与氢气为额外通入的材料，而不是通入载气本身造成的结果。通常载气的流量通常为20sccm~50sccm，对发光二极管外延片的生长影响几乎可忽略不计。

可选地，多个GaN岛状结构生长合并形成第一子层的过程中，纯氢气氛围切换与纯氮气氛围的切换次数为2~10次。最终得到的第一子层的质量较好。

步骤S203中，在第一子层上生长第二子层，可包括：交替生长第二GaN层和BGaN层，最终在第一子层上形成第二子层。第二GaN层的生长温度为1000~1100℃，第二GaN层的生长压力为100~300Torr。BGaN层的生长温度为900~1100℃，BGaN层的生长压力为100~300Torr。

S204：在缓冲层上生长非掺杂GaN层。

非掺杂GaN层的厚度可为0.5~3um。

示例性地，非掺杂GaN层的生长温度可为1000~1100℃，生长压力控制在100~300Torr。得到的非掺杂GaN层的质量较好。

S205：在非掺杂GaN层上生长n型GaN层。

可选地，n型GaN层的生长温度可为1000~1100℃，n型GaN层的生长压力可为100~300Torr。

S206：在n型GaN层上生长多量子阱层。

多量子阱层包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层，InGaN阱层的厚度可为2~3nm，GaN垒层的厚度可为9~20nm。

可选地，多量子阱层中，InGaN阱层的生长温度与InGaN阱层的生长温度均可为700~830℃，GaN垒层的生长温度、GaN垒层的生长温度及第三GaN垒层的生长温度均可为800~960℃。在此条件下生长得到的多量子阱层的质量较好，能够保证发光二极管的发光效率。

S207：在多量子阱层上生长AlGaN电子阻挡层。

AlGaN电子阻挡层的生长温度可为800~1000℃，AlGaN电子阻挡层的生长压力可为100~300Torr。在此条件下生长得到的AlGaN电子阻挡层的质量较好，有利于提高发光二极管的发光效率。

S208：在AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层。

可选地，p型GaN层的生长压力可为200~600Torr，p型GaN层的生长温度可为800~1000℃。

S209：在p型GaN层上生长p型接触层。

可选地，p型接触层的生长压力可为100~300Torr，p型接触层的生长温度可为800~1000℃。

需要说明的是，图4中所示的发光二极管外延片的制备方法，相对图3中所示的发光二极管的制备方法，提供了一种更为详细的发光二极管外延片的生长方式。

执行完步骤S209后的发光二极管外延片的结构可参见图2。

需要说明的是，在本公开实施例中，采用Veeco K465i或C4或RB MOCVD（MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀）设备实现发光二极管的生长方法。采用高纯H

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。