一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法与流程

本发明涉及gan基发光二极管领域，特别涉及一种gan基发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术：

gan(氮化镓)基led(lightemittingdiode，发光二极管)一般包括外延片和在外延片上制备的电极。外延片通常包括：衬底、以及顺次层叠在衬底上的缓冲层、非掺杂gan层、n型gan层、mqw(multiplequantumwell，多量子阱)层、电子阻挡层、p型gan层和接触层。当有电流注入gan基led时，n型gan层等n型区的电子和p型gan层等p型区的空穴进入mqw有源区并且复合，发出可见光。其中，mqw层一般是采用ingan阱层和gan垒层交替生长的周期结构。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：ingan阱层和gan垒层之间存在较大的晶格失配，将在ingan阱层和gan垒层的异质结界面处形成很大的应力，进而产生很强的压电极化。压电极化将引起量子限制斯塔克效应，即在量子阱中产生内建电场，该内建电场将使能带发生倾斜，改变导带和价带的能级，降低载流子跃迁能量，还改变能带中载流子的束缚态波函数，使得电子和空穴波函数空间分离，减少电子波函数与空穴波函数的重叠，降低电子和空穴的辐射复合效率。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种gan基发光二极管外延片及其制备方法，能够降低甚至消除因传统ingan/gan晶格不匹配造成的阱垒界面形成的应力。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种gan基发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括：

衬底、在所述衬底上顺次沉积的缓冲层、非掺杂gan层、n型掺杂gan层、低温应力释放层、多量子阱层、低温p型gan层、电子阻挡层、高温p型gan层、以及p型接触层，所述多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括第一ingan层，所述量子垒层包括顺次层叠的第一alingan层、gan层、以及第二alingan层，靠近所述低温应力释放层的阱垒层中的量子阱层与所述低温应力释放层接触。

可选地，所述量子阱层为低温量子阱层，所述第一alingan层和所述第二alingan层均为低温alingan层，所述gan层为高温gan层。

可选地，所述量子阱层还包括inn层和第二ingan层，所述inn层位于所述第一ingan层与所述第二ingan层之间，与所述低温应力释放层接触的量子阱层中的第一ingan层与所述低温应力释放层接触。

可选地，所述第一ingan层和所述第二ingan层均为inx1ga1-x1n层，所述第一alingan层和所述第二alingan层均为alyinx2ga1-x2-yn层，0.1≤y≤0.8，0.1≤x1≤0.3，0.05≤x2≤0.2。

可选地，所述第一ingan层和所述第二ingan层的厚度均为所述inn层的厚度为所述第一alingan层和所述第二alingan层的厚度均为所述gan层的厚度为所述阱垒层的数量为6～10。

第二方面，提供了一种gan基发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：

提供衬底；

在所述衬底上顺次沉积缓冲层、非掺杂gan层、n型掺杂gan层、低温应力释放层、多量子阱层、低温p型gan层、电子阻挡层、高温p型gan层、以及p型接触层，所述多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，所述阱垒层包括量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括第一ingan层，所述量子垒层包括顺次层叠的第一alingan层、gan层、以及第二alingan层，靠近所述低温应力释放层的阱垒层中的量子阱层与所述低温应力释放层接触。

可选地，所述量子阱层、所述第一alingan层和所述第二alingan层的生长温度相同，所述gan层的生长温度比所述量子阱层的生长温度高100～150℃。

可选地，所述量子阱层还包括inn层和第二ingan层，所述inn层位于所述第一ingan层与所述第二ingan层之间，与所述低温应力释放层接触的量子阱层中的第一ingan层与所述低温应力释放层接触。

可选地，所述第一ingan层和所述第二ingan层均为inx1ga1-x1n层，所述第一alingan层和所述第二alingan层均为alyinx2ga1-x2-yn层，0.1≤y≤0.8，0.1≤x1≤0.3，0.05≤x2≤0.2。

可选地，所述第一ingan层和所述第二ingan层的厚度均为所述inn层的厚度为所述第一alingan层和所述第二alingan层的厚度均为所述gan层的厚度为所述阱垒层的数量为6～10。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，且各个阱垒层包括量子阱层和量子垒层，量子阱层包括第一ingan层，量子垒层包括顺次层叠的第一alingan层、gan层、以及第二alingan层；这样，gan层位于第一alingan层和第二alingan层之间，第一alingan层和第二alingan层分别与量子阱层中的第一ingan层接触；由于四元合金alingan的晶格介于ingan的晶格与gan的晶格之间，因此，在ingan与gan之间引入四元合金alingan，能够降低甚至消除因传统ingan/gan晶格不匹配造成的阱垒界面形成的应力，降低应力带来的压电极化，从而降低内建电场效应，保持正常的能带，提高电子波函数与空穴波函数的重叠，提高电子和空穴的辐射复合效率。

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是本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的传统ingan/gan多量子阱层的能带和波函数示意图；

图3是本发明实施例提供的在ingan阱层与gan垒层之间引入alingan后的多量子阱层的能带和波函数示意图；

图4是本发明实施例提供的多量子阱层的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的在ingan阱层之间插入inn后的多量子阱层的能带和波函数示意图；

图6是本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的制备方法的流程图；

图7是本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的制备方法的流程图。

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示出了本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片。参见图1，该发光二极管外延片包括：衬底1、以及在衬底1上顺次沉积的缓冲层2、非掺杂gan层3、n型掺杂gan层4、低温应力释放层5、多量子阱层6、低温p型gan层7、电子阻挡层8、高温p型gan层9和p型接触层10。

多量子阱层6包括若干层叠的阱垒层60。阱垒层60包括量子阱层61和量子垒层62。量子阱层61包括第一ingan层61a。量子垒层62包括顺次层叠的第一alingan层62a、gan层62b、以及第二alingan层62c。靠近低温应力释放层5的阱垒层60中的量子阱层61与低温应力释放层5接触。

通过多量子阱层6包括若干层叠的阱垒层60，且各个阱垒层60包括量子阱层61和量子垒层62，量子阱层61包括第一ingan层61a，量子垒层62包括顺次层叠的第一alingan层62a、gan层62b、以及第二alingan层62c；这样，gan层62b位于第一alingan层62a和第二alingan层62c之间，第一alingan层62a和第二alingan层62c分别与量子阱层61中的第一ingan层61a接触；由于四元合金alingan的晶格介于ingan的晶格与gan的晶格之间，因此，在ingan与gan之间引入四元合金alingan，能够降低甚至消除因传统ingan/gan多量子阱层(即ingan阱层和gan垒层交替生长的周期结构)中ingan与gan晶格不匹配造成的阱垒界面形成的应力，降低应力带来的压电极化，从而降低内建电场效应，保持正常的能带，提高电子波函数与空穴波函数的重叠，提高电子和空穴的辐射复合效率。

此外，由于电子的有效质量相对于空穴较低，这将导致大量电子从量子阱区溢流至p型层区，尤其是在大电流密度下的led发光器件中电子的溢流更明显，最终将导致led器件发光效率大大的降低，尤其是在大电流密度和长波区域的发光效率将严重的下降，这种现象称为led的droop效应。通过在ingan与gan之间引入四元合金alingan，能够降低led的droop效应。

图2为传统ingan/gan多量子阱层的能带和波函数示意图，图3为在ingan阱层与gan垒层之间引入alingan后的多量子阱层的能带和波函数示意图。为了便于描述，在图2和图3中仅截取了相邻两个量子垒和一个量子阱的能带和波函数示意。例如，在图2中，传统ingan/gan多量子阱层的导带cb由三段横线组成，高度较高的两条横线对应gan量子垒的导带，高度较低的横线对应ingan量子阱的导带。参见图2，传统ingan/gan多量子阱层的导带cb与价带vb之间的禁带fb宽度较窄，且整个能带出现倾斜。并且，空穴波函数wf1与电子波函数wf2空间距离较远，空穴电子的复合效率较低。

在图3中，引入alingan后的多量子阱层的导带cb'由五段横线组成，高度最高的两条横线对应alingan量子垒的导带，高度较高的两条横线对应gan量子垒的导带，高度较低的横线对应ingan量子阱的导带。参见图3，引入alingan后的多量子阱层的导带cb'与价带vb'之间的禁带fb'宽度较宽，且整个能带比较平整。并且，空穴波函数wf1'与电子波函数wf2'空间距离较近，空穴电子的复合效率较高。基于对应alingan量子垒的导带，可知，alingan层的引入还可以增加电子的有效势垒高度并提高电子在阱区的限制，从而阻止电子因为其较小的有效质量导致其从阱区溢流至p型区，尤其是大电流密度下电子的大量溢流，进而改善了led的droop效应。

示例性地，量子阱层61为低温量子阱层，第一alingan层62a和第二alingan层62c均为低温alingan层，gan层62b为高温gan层。由于垒层62中第一alingan层62a和第二alingan层62c均靠近量子阱层61，保持与量子阱层61相同或相近的较低温度既可以保证其电子有效势垒高度增加阻止在大电流密度下电子的溢流的功能，又有利于高al组分的生长且防止mqw中in的扩散、以及避免高温垒对量子阱层61造成破坏。

示例性地，参见图4，量子阱层61还包括inn层61b和第二ingan层61c，inn层61b位于第一ingan层61a与第二ingan层61c之间。与低温应力释放层5接触的量子阱层61中的第一ingan层61a与低温应力释放层5接触。

通过在多量子阱层6中引入ingan/inn/ingan阱层，不仅可以造成电子和空穴波函数在阱中心产生较强的局域化效应形成双阱，从而增加电子和空穴波函数的重叠率并改善电子和空穴的辐射复合率；并且，inn层61b的插入会导致自发波长红移使得发光波长拓宽至黄光和红光区域提高其自发辐射率，最终改善了led的发光效率。

图5为在ingan阱层之间插入inn后的多量子阱层的能带和波函数示意图。为了便于描述，在图5中仅截取了相邻两个量子垒和一个量子阱的能带和波函数示意，并且，该量子垒为gan垒层。在图5中，插入inn后的多量子阱层的导带cb”由五段横线组成，高度最高的两条横线对应gan量子垒的导带，高度较高的两条横线对应ingan量子阱的导带，高度较低的横线对应inn量子阱的导带。参见图5，在ingan阱层之间插入inn后的多量子阱层的导带cb”与价带vb”之间的禁带fb”宽度较宽，且整个能带比较平整。并且，空穴波函数wf1”与电子波函数wf2”空间距离较近，空穴电子的复合效率较高。基于对应ingan量子阱的导带、以及对应inn量子阱的导带，可以看出，整个量子阱形成双阱效果。

示例性地，第一ingan层61a和第二ingan层61c均为inx1ga1-x1n层，第一alingan层62a和第二alingan层62c均为alyinx2ga1-x2-yn层，0.1≤y≤0.8，0.1≤x1≤0.3，0.05≤x2≤0.2。通过限制量子阱和量子垒中的in组分和al组分含量，采用该外延片制得的led芯片的发光亮度最佳。

示例性地，第一ingan层61a和第二ingan层61c的厚度均为inn层61b的厚度为第一alingan层62a和第二alingan层62c的厚度均为gan层62b的厚度为阱垒层60的数量为6～10。

通过inn层61b、第一ingan层61a和第二ingan层61c采用较薄的厚度，可以避免因厚度过厚导致inn层61b、第一ingan层61a和第二ingan层61c层精密度下降且inn层61b过厚不利于在阱区形成局域化效应实现双阱的效果，同时还可以避免厚度太薄而影响inn层61b、第一ingan层61a和第二ingan层61c的实现效果。

示例性地，阱垒层60的数量为8。若阱垒层60的数量太低，则不能有效增加电子与空穴的辐射复合效率，提高载流子的利用率；若阱垒层60的数量太高，则多量子阱的界面质量逐渐变差，ingan阱的相分凝现象也变得严重。另外由于gan与inn间大的晶格失配，随着多量子阱的周期数的增加，阱区的应力也会增加，伴随着应力的释放，大量的缺陷位错随即产生，并且ingan阱区的生长模式也会发生变化，不利于电子与空穴的辐射复合。

示例性地，多量子阱层6的厚度为100～150nm。

示例性地，衬底1为蓝宝石衬底；缓冲层2可以为gan层或aln层，缓冲层2的厚度可以是15至35nm；非掺杂gan层3的厚度可以是1～3μm；n型掺杂gan层4的厚度可以是1～2μm；低温应力释放层5可以为插入有ingan/gan周期性结构的gan层，其厚度可以是134～310nm；低温p型gan层7的厚度可以是200-400nm；电子阻挡层8可以是algan层，其厚度可以是300～500nm；高温p型gan层9的厚度可以为100nm～300nm；p型接触层10可以是gan或者ingan层，其厚度可以是50～100nm。

图6示出了本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的制备方法。参见图6，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、提供衬底。

步骤102、在衬底上顺次沉积缓冲层、非掺杂gan层、n型掺杂gan层、低温应力释放层、多量子阱层、低温p型gan层、电子阻挡层、高温p型gan层、以及p型接触层。

其中，多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，阱垒层包括量子阱层和量子垒层，量子阱层包括第一ingan层，量子垒层包括顺次层叠的第一alingan层、gan层、以及第二alingan层，靠近低温应力释放层的阱垒层中的量子阱层与低温应力释放层接触。

可以采用图6示出的方法制备得到图1示出的发光二极管外延片。

本发明实施例通过多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，且各个阱垒层包括量子阱层和量子垒层，量子阱层包括第一ingan层，量子垒层包括顺次层叠的第一alingan层、gan层、以及第二alingan层；这样，gan层位于第一alingan层和第二alingan层之间，第一alingan层和第二alingan层分别与量子阱层中的第一ingan层接触；由于四元合金alingan的晶格介于ingan的晶格与gan的晶格之间，因此，在ingan与gan之间引入四元合金alingan，能够降低甚至消除因传统ingan/gan晶格不匹配造成的阱垒界面形成的应力，降低应力带来的压电极化，从而降低内建电场效应，保持正常的能带，提高电子波函数与空穴波函数的重叠，提高电子和空穴的辐射复合效率。

图7示出了本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的制备方法。可以采用图7示出的方法制备得到图1示出的发光二极管外延片。参见图7，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、提供衬底。

示例性地，衬底可以是(0001)晶向蓝宝石衬底(al2o3)。

步骤202、对衬底进行退火处理。

其中，退火处理方式取决于缓冲层的生长方式。当采用pvd(physicalvapordeposition，物理气相沉积)方法沉积缓冲层时，退火处理方式包括：将衬底放置到pvd设备的反应腔内，并对反应腔进行抽真空，抽真空的同时开始对蓝宝石衬底进行加热升温。当本底真空抽至低于1*10^-7torr时，将加热温度稳定在350～750℃，对蓝宝石衬底进行烘烤，烘烤时间为2～12分钟。当采用mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法沉积缓冲层时，退火处理方式包括：将衬底放置到mocvd设备的反应腔内，然后在氢气气氛中退火处理10分钟，清洁衬底表面，退火温度在1000℃与1100℃之间，压力在200torr-500torr之间，然后进行氮化处理。

步骤203、在衬底上沉积缓冲层。

其中，缓冲层可以是gan缓冲层，也可以是aln缓冲层。

当缓冲层是gan缓冲层时，采用mocvd方法生长缓冲层，包括：首先，将mocvd设备的反应腔内温度调整至400℃-600℃，生长15至35nm厚的gan缓冲层，生长压力区间为200torr-600torr。其次，缓冲层原位退火处理，温度在1000℃-1200℃，时间在5分钟至10分钟之间，压力为400torr-600torr。

当缓冲层是aln缓冲层时，采用pvd方法生长缓冲层，包括：将pvd设备的反应腔内温度调整至400-700℃，调整溅射功率为3000～5000w，调整压力为1～10torr，生长15至35nm厚的aln缓冲层。

需要说明的是，外延层中的非掺杂gan层、n型掺杂gan层、低温应力释放层、多量子阱层、低温p型gan层、电子阻挡层、高温p型gan层、以及p型接触层均可以采用mocvd方法生长。在具体实现时，通常是将衬底放在石墨托盘上送入mocvd设备的反应腔中进行外延材料的生长，因此上述生长过程中控制的温度和压力实际上是指反应腔内的温度和压力。具体地，采用三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯氮气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，n型掺杂剂选用硅烷，p型掺杂剂选用二茂镁。

步骤204、在缓冲层上沉积非掺杂gan层。

示例性地，非掺杂gan层的生长温度为1000℃-1150℃，生长厚度在1至3微米之间，生长压力在100torr至200torr之间。

步骤205、在非掺杂gan层上沉积n型掺杂gan层。

示例性地，n型gan层的厚度在1-2微米之间，生长温度在1100℃-1150℃，生长压力在200torr左右，si掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3-5×10¹⁹cm^-3之间。

步骤206、在n型掺杂gan层上沉积低温应力释放层。

示例性地，低温应力释放层包括依次生长的第一n型gan子层、2～10个周期的ingan/gan周期性结构、以及第二n型gan子层。其中，第一n型gan子层、2～10个周期的ingan/gan周期性结构、以及第二n型gan子层的厚度依次为50nm、2nm/20nm、40nm。生长温度为800-900℃，生长压力为100-500torr。

步骤207、在低温应力释放层上沉积多量子阱层。

其中，多量子阱层包括若干层叠的阱垒层，阱垒层包括量子阱层和量子垒层，量子阱层包括第一ingan层，量子垒层包括顺次层叠的第一alingan层、gan层、以及第二alingan层，靠近低温应力释放层的阱垒层中的量子阱层与低温应力释放层接触。

示例性地，量子阱层、第一alingan层和第二alingan层的生长温度相同，比如，量子阱层、第一alingan层和第二alingan层的生长温度均可以是700～800℃。gan层的生长温度比量子阱层的生长温度高100～150℃。多量子阱层的整层生长压力可以是100～200torr。

示例性地，量子阱层还包括inn层和第二ingan层，inn层位于第一ingan层与第二ingan层之间。与低温应力释放层接触的量子阱层中的第一ingan层与低温应力释放层接触。

示例性地，在低温应力释放层上生长多量子阱层的生长过程包括：在生长温度为750℃，生长压力为150torr的条件下，持续通入适量nh3下，通入一定量的三甲基铟和三甲基镓生长第一ingan层，保持生长温度和生长压力不变，关闭三甲基镓，生长inn层，然后继续打开tmga，生长第二ingan层；紧接着保持相同温度相同压力下，继续通入适量三甲基铟和三甲基镓并通入三甲基铝生长第一alingan层，紧接着关闭所有mo(metallo-organiccompound，金属有机化合物)源升高温度100度之后打开三甲基镓生长gan层，最后关闭所有mo源并降低生长温度100度之后通入三甲基铟和三甲基镓并通入三甲基铝生长垒层第二alingan层，完成第一个阱垒层的生长。剩余阱垒层按照上述过程生长，直到多量子阱层生长结束。

示例性地，第一ingan层和第二ingan层均为inx1ga1-x1n层，第一alingan层和第二alingan层均为alyinx2ga1-x2-yn层，0.1≤y≤0.8，0.1≤x1≤0.3，0.05≤x2≤0.2。

示例性地，第一ingan层和第二ingan层的厚度均为inn层额的厚度为第一alingan层和第二alingan层的厚度均为gan层的厚度为阱垒层的数量为6～10。

示例性地，多量子阱层的厚度可以为100nm～150nm。

步骤208、在多量子阱层上生长低温p型gan层。

示例性地，低温p型gan层的厚度为200-400nm，生长温度为700-800℃，生长压力在200torr。

步骤209、在低温p型gan层上沉积电子阻挡层。

示例性地，电子阻挡层为p型algan层，电子阻挡层的生长温度在800℃与1000℃之间，生长压力为50torr与500torr之间。电子阻挡层的厚度在20nm至100nm之间。

步骤210、在电子阻挡层上沉积高温p型gan层。

示例性地，高温p型gan层的生长温度为950℃～1000℃，生长压力为200torr，高温p型gan层9的厚度可以为100nm～300nm。

步骤211、在高温p型gan层上沉积p型接触层。

示例性地，p型接触层为gan或者ingan层，其厚度为50nm至100nm之间，生长温度区间为850℃-950℃，生长压力区间为200torr-500torr。

示例性地，p型接触层生长结束后，将mocvd设备的反应腔内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃-850℃，退火处理5到15分钟，降至室温，完成外延生长。

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。