发光二极管外延片及其制备方法与流程

1.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：

2.led(英文：light emitting diode，中文：发光二极管)，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led不断追求的目标。
3.发光二极管外延片在制备时，需要将衬底放置在托盘的凹槽内，托盘的表面的边缘与底部受热升温，反应气体与反应金属源在衬底上表面沉积生长，得到依次层叠在衬底上的第一n型gan层、多量子阱层与p型gan层。第一n型gan层、多量子阱层与p型gan层需要较高的生长温度，而在高温情况下，衬底的圆心区域相对衬底的边缘区域更容易积累热量，导致衬底的圆心区域的温度高于衬底的边缘区域的温度，衬底的圆心区域的温度过高，会导致衬底的圆心区域生长的外延结构存在分解情况，且圆心区域生长的外延结构的分解情况较衬底的边缘区域生长的外延结构的分解情况严重，导致最终得到的发光二极管外延片的表面的边缘与表面的圆心的高度差较大，发光二极管外延片的表面不够平整，影响发光二极管外延片的发光均匀度。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了发光二极管外延片及其制备方法，能够提高发光二极管外延片的均匀度以提高发光二极管外延片的发光均匀度，以提高发光二极管的发光均匀度。所述技术方案如下：
5.本公开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第一n型gan层、sio2调节层、第二n型gan层、多量子阱层与p型gan层，
6.所述sio2调节层包括在所述第一n型gan层的表面间隔分布的多个同心sio2调节圆环，所述多个同心sio2调节圆环的圆心为所述第一n型gan层的表面的圆心，每个所述sio2调节圆环均包括多个等距离间隔分布的多个sio2调节柱，且随所述sio2调节圆环的直径的增加，所述sio2调节柱的直径减小，所述第二n型gan层覆盖在所述第一n型gan层与所述sio2调节层上。
7.可选地，直径最大的所述sio2调节圆环的所述sio2调节柱的直径，与直径最小的所述sio2调节圆环的所述sio2调节柱的直径的比值为1/4～1/3。
8.可选地，所述sio2调节柱的直径为0.3～3um。
9.可选地，在所述sio2调节圆环的径向上，且由所述sio2调节圆环的圆心指向所述sio2调节圆环的边缘的方向上，相邻的两个所述sio2调节圆环的直径之差减小。
10.可选地，相邻的两个所述sio2调节圆环的直径之差为0.05～0.5um。
11.可选地，所述多个sio2调节柱的高度为20～80nm。
12.可选地，所述第一n型gan层的厚度与所述第二n型gan层的厚度之比为1:2～2:5。
13.可选地，所述第一n型gan层中n型杂质的掺杂浓度，在所述第一n型gan层朝向所述第二n型gan层的方向上减小。
14.本公开实施例提供了一种发光二极管外延片制备方法，所述制备方法包括：
15.提供一衬底；
16.在所述衬底上生长第一n型gan层；
17.在所述第一n型gan层上生长sio2调节层，
18.所述sio2调节层包括在所述第一n型gan层的表面间隔分布的多个同心sio2调节圆环，所述多个同心sio2调节圆环的圆心为所述第一n型gan层的表面的圆心，每个所述sio2调节圆环均包括多个等距离间隔分布的多个sio2调节柱，且随所述sio2调节圆环的直径的增加，所述sio2调节柱的直径减小；
19.在所述sio2调节层上生长第二n型gan层，所述第二n型gan层覆盖在所述第一n型gan层与所述sio2调节层上；
20.在所述第二n型gan层上生长多量子阱层；
21.在所述多量子阱层上生长p型gan层。
22.可选地，在所述衬底上生长第一n型gan层包括：
23.在所述第一n型gan层的生长过程中，所述第一n型gan层的生长速率逐渐减小。
24.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
25.在第一n型gan层上增加了sio2调节层，sio2调节层包括在第一n型gan层的表面间隔分布的多个同心sio2调节圆环，多个同心sio2调节圆环的圆心为第一n型gan层的表面的圆心，每个sio2调节圆环均包括多个等距离间隔分布的多个sio2调节柱。氮化镓材料在sio2调节柱的端面及sio2调节柱的侧壁上难以生长，因此第二n型gan层会在多个sio2调节柱之间的空间内沉积在第一n型gan层表面，避免第二n型gan层直接以sio2调节柱为基础进行生长而影响第二n型gan层的结构调整。使sio2调节柱的直径随sio2调节圆环的直径的增加而减小，则靠近衬底圆心附近的sio2调节柱之间的间距较小，第二n型gan层更容易填满间隙并快速增加厚度，而靠近衬底边缘附近的sio2调节柱之间的间距较大，第二n型gan层需要填满间隙并升高所需的时间则较长，因此衬底的圆心附近的第二n型gan层的生长会略快于衬底的边缘附近的第二n型gan层的生长，由此抵消由温度导致的边缘附近区域与圆心附近区域会形成的厚度差。使得第二n型gan层整体生长的厚度更为均匀，保证最终得到的第二n型gan层生长较为均匀，进而提高发光二极管的发光均匀度。
附图说明
26.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。
27.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；
28.图2是本公开实施例提供的sio2调节层的俯视图；
29.图3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；
30.图4是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片制备方法流程图；
31.图5是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片制备方法流程图。
具体实施方式
32.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公开实施方式作进一步地详细描述。
33.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，发光二极管外延片包括衬底及依次层叠在衬底上的第一n型gan层2、sio2调节层3、第二n型gan层4、多量子阱层5与p型gan层6。
34.sio2调节层3包括在第一n型gan层2的表面间隔分布的多个同心sio2调节圆环31，多个同心sio2调节圆环31的圆心为第一n型gan层2的表面的圆心，每个sio2调节圆环31均包括多个等距离间隔分布的多个sio2调节柱311，且随sio2调节圆环31的直径的增加，sio2调节柱311的直径减小。第二n型gan层4覆盖在第一n型gan层2与sio2调节层3上。
35.在第一n型gan层2上增加了sio2调节层3，sio2调节层3包括在第一n型gan层2的表面间隔分布的多个同心sio2调节圆环31，多个同心sio2调节圆环31的圆心为第一n型gan层2的表面的圆心，每个sio2调节圆环31均包括多个等距离间隔分布的多个sio2调节柱311。氮化镓材料在sio2调节柱311的端面及sio2调节柱311的侧壁上难以生长，因此第二n型gan层4会在多个sio2调节柱311之间的空间内沉积在第一n型gan层2表面，避免第二n型gan层4直接以sio2调节柱311为基础进行生长而影响第二n型gan层4的结构调整。使sio2调节柱311的直径随sio2调节圆环31的直径的增加而减小，则靠近衬底圆心附近的sio2调节柱311之间的间距较小，第二n型gan层4更容易填满间隙并快速增加厚度，而靠近衬底边缘附近的sio2调节柱311之间的间距较大，第二n型gan层4需要填满间隙并升高所需的时间则较长，因此衬底的圆心附近的第二n型gan层4的生长会略快于衬底的边缘附近的第二n型gan层4的生长，由此抵消由温度导致的边缘附近区域与圆心附近区域会形成的厚度差。使得第二n型gan层4整体生长的厚度更为均匀，保证最终得到的第二n型gan层4生长较为均匀，进而提高发光二极管的发光均匀度。
36.需要说明的是，第一n型gan层2的表面为第一n型gan层2远离衬底1的一个表面。且第二n型gan层4的高度高于sio2调节层3的高度。
37.示例性地，第一n型gan层2的厚度为0.3～1.5um。
38.第一n型gan层2的厚度在以上范围内，第一n型gan层2本身的质量较好，可以作为sio2调节层3生长的良好基础，进而保证sio2调节层3及sio2调节层3上生长的第二n型gan层4的生长质量。
39.可选地，第一n型gan层2中的掺杂元素可为si，且si的掺杂浓度在第一n型gan层朝向第二n型gan层4的方向上减小。
40.可以保证第一n型gan层2靠近第二n型gan层4的一侧实现与sio2调节层3的良好接触与生长，提高sio2调节层3的生长质量。
41.示例性地，sio2调节柱311可呈圆柱状且垂直于第一n型gan层2的表面。可以在基本不影响第二n型gan层4的质量的同时，有效控制第二n型gan层4生长的均匀度。下文中以
sio2调节柱311为圆柱状的前提进行陈述。
42.为便于理解，此处可提供图2，参考图2可知，sio2调节层3包括在第一n型gan层2的表面间隔分布的多个同心sio2调节圆环31，多个同心sio2调节圆环31的圆心为第一n型gan层2的表面的圆心，每个sio2调节圆环31均包括多个等距离间隔分布的多个sio2调节柱311。
43.可选地，多个sio2调节柱311的高度位于20～80nm。
44.sio2调节柱311的高度在以上范围内时，对第二n型gan层4的质量影响较小，可以保证第二n型gan层4本身的生长质量。
45.示例性地，sio2调节柱311的直径随sio2调节圆环31的直径的增加而梯度递减。
46.考虑到相邻的sio2调节柱311之间存在间距，将sio2调节柱311的直径调整为梯度递减，能更好地抵消线性传递的温度造成的厚度差，使得第二n型gan层的生长更为均匀。
47.在本公开所提供的其他实现方式中，sio2调节柱311的直径随sio2调节圆环31的直径的增加而线性减小。本公开对此不做限制。
48.可选地，直径最大的sio2调节圆环31的sio2调节柱311的直径，与直径最小的sio2调节圆环31的sio2调节柱311的直径的比值为1/4～1/3。
49.直径最大的sio2调节圆环31的sio2调节柱311的直径，与直径最小的sio2调节圆环31的sio2调节柱311的直径的比值在以上范围内，可以有效调节第二n型gan层4生长时的均匀度，提高最终得到的发光二极管外延片的均匀度。
50.可选地，sio2调节柱311的直径为0.3～3um。得到的第二n型gan层4的质量较好。
51.示例性地，随sio2调节圆环31的直径的增加，同一sio2调节圆环31上相邻的两个sio2调节柱311的直径之差减小。
52.靠近衬底圆心附近的同一sio2调节圆环31上，相邻的sio2调节柱311之间的间距较小，第二n型gan层4更容易填满间隙并快速增加厚度，而靠近衬底边缘附近的同一sio2调节圆环31上，相邻的sio2调节柱311之间的间距较大，第二n型gan层4需要填满间隙并升高所需的时间则较长，因此衬底的圆心附近的第二n型gan层4的生长会略快于衬底的边缘附近的第二n型gan层4的生长，进一步抵消由温度导致的边缘附近区域与圆心附近区域会形成的厚度差。
53.可选地，随sio2调节圆环31的直径的增加，同一sio2调节圆环31上相邻的两个sio2调节柱311的直径之差可梯度减小。易于实现，且得到的第二n型gan层4的质量较好。
54.示例性地，相邻的两个sio2调节圆环31的直径之差为0.05～0.5um。可以保证在起到调控效果的同时，第二n型gan层4也可以在sio2调节柱311之间稳定生长。
55.可选地，第一n型gan层2的厚度与第二n型gan层4的厚度之比为1:2～2:5。
56.第一n型gan层2的厚度与第二n型gan层4的厚度之比在以上范围内，得到的第一n型gan层2与第二n型gan层4的质量较好。
57.示例性地，第二n型gan层4的厚度为50～150nm。
58.第二n型gan层4的厚度在以上范围内，可以得到质量更好的第二n型gan层4，且sio2调节柱311本身对第二n型gan层4中的缺陷也具有阻挡效果，因此不需要将第二n型gan层4的厚度设置为太大，有效控制发光二极管外延片的生长效率。
59.可选地，第二n型gan层4中的si元素的掺杂浓度可为10
19
‑
10
20
/cm3。
60.第二n型gan层4中的si元素的掺杂浓度较大，能够保证第二n型gan层4本身能够提
供足够的电子，同时由于第二n型gan层4的基础是生长在sio2调节柱311之间，sio2调节柱311的侧壁本身可以对缺陷起到阻挡作用，因此可以保证第二n型gan层4的缺陷不会延伸至第二n型gan层4与多量子阱层5相接触的表面。提高第二n型gan层4的生长均匀度的同时提高第二n型gan层4的表面质量。
61.图3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3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上的缓冲层7、第一n型gan层2、sio2调节层3、第二n型gan层4、多量子阱层5、algan电子阻挡层8、p型gan层5及p型接触层9。
62.需要说明的是，图3中所示的第一n型gan层2、sio2调节层3、第二n型gan层4与图1中所示的第一n型gan层2、sio2调节层3、第二n型gan层4的结构分别相同，此处不再赘述。
63.可选地，衬底1可为蓝宝石衬底1。易于制作与获取。
64.示例性地，缓冲层7可包括依次层叠在衬底1上的gan三维成核层71、gan填平层72与非掺杂gan层73。能够有效缓解晶格失配。
65.在本公开所提供的其他实现方式中，缓冲层7也可为铝氮、铝镓氮或铝铟镓氮中的一种。本公开对此不做限制。
66.可选地，第一n型gan层2的掺杂元素可为si，且si元素的掺杂浓度可为1
×
10
18
～1
×
10
19
cm
‑3。第一n型gan层2整体的质量较好。
67.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。
68.示例性地，多量子阱层5的整体厚度可为50～130nm，in摩尔含量15％～30％。
69.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。
70.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。
71.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。
72.可选地，p型gan层5可掺mg，p型gan层5的厚度可为100～200nm。
73.示例性地，p型接触层9的厚度可为10～50nm。
74.需要说明的是，图3中所示的外延片结构相对图1中所示的外延片结构，在衬底1与第一n型gan层2之间增加了缓冲层7，在多量子阱层5与p型gan层5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5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。
75.图4是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片制备方法流程图，如图4所示，该发光二极管外延片制备方法包括：
76.s101：提供一衬底。
77.s102：在衬底上生长第一n型gan层。
78.s103：在第一n型gan层上生长sio2调节层。sio2调节层包括在第一n型gan层的表面间隔分布的多个同心sio2调节圆环，多个同心sio2调节圆环的圆心为第一n型gan层的表面的圆心，每个sio2调节圆环均包括多个等距离间隔分布的多个sio2调节柱，且随sio2调节圆环的直径的增加，sio2调节柱的直径减小。
79.s104：在sio2调节层上生长第二n型gan层，第二n型gan层覆盖在第一n型gan层与
sio2调节层上。
80.s105：在第二n型gan层上生长多量子阱层。
81.s106：在多量子阱层上生长p型gan层。
82.图4中所示方法的具体技术效果可参考图1中所示的发光二极管外延片结构的技术效果，因此此处不再赘述。
83.执行完步骤s106之后的发光二极管外延片结构则可参见图1。
84.图5是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片制备方法流程图，如图5所示，该发光二极管外延片制备方法包括：
85.s201：提供一衬底。
86.其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。
87.可选地，步骤s201还可包括：在氢气气氛下，处理衬底表面的时长为6～10min。
88.示例性地，处理衬底表面时，反应腔的温度可为1000～1200℃，反应腔的压力可为200～500torr。
89.在本公开所提供的一种实现方式中，处理衬底时，反应腔的温度也可为1100℃，处理衬底表面的时长可为8min。
90.步骤s201还可包括：对衬底的表面进行氮化处理，在衬底的表面铺一层氮原子。可以便于氮化镓材料的快速生长。
91.s202：在衬底上生长缓冲层。
92.可选地，控制反应腔的温度为450℃～600℃，反应腔的压力为200torr～500torr，生长gan三维成核层；然后升高反应腔的温度至950℃～1200℃依次生长gan填平层与非掺杂gan层。得到质量较好的缓冲层。
93.s203：在缓冲层上生长第一n型gan层。
94.可选地，第一n型gan层的生长温度可为950℃～1200℃，第一n型gan层的生长压力可为200～500torr。
95.步骤s203包括：在第一n型gan层的生长过程中，第一n型gan层的生长速率逐渐减小。
96.第一n型gan层的生长速率逐渐减小，可以提高第一n型gan层靠近sio2调节层的表面平整度，进而提高sio2调节层本身的生长质量。
97.示例性地，第一n型gan层的生长速率可由3～5um/hour逐渐减小至2
‑
4um/hour。得到的第一n型gan层的表面质量较好，且第一n型gan层能够提供足够的电子。
98.s204：在第一n型gan层上生长sio2调节层。
99.可选地，sio2调节层采用等离子体增强化学气相沉积设备得到。能够得到质量较好且表面平整度较高的sio2调节层。
100.示例性地sio2调节层的生长温度为250～350，sio2调节层的生长压力为50～200mt。在此生长条件下能够得到质量较好的sio2调节层。
101.步骤s204，还可包括：
102.在第一n型gan层的表面旋涂一层光刻胶；对光刻胶依次进行曝光、显影，以在光刻胶上形成多个通孔；在每个通孔内生长sio2柱直至sio2柱与光刻胶的表面齐平以得到sio2调节层。便于sio2调节层的制备与获取。
103.s205：在sio2调节层上生长第二n型gan层。
104.可选地，第二n型gan层的生长速率高于第一n型gan层的生长速率。
105.第二n型gan层的生长速率高于第一n型gan层的生长速率，可以在sio2调节层上快速生长第二n型gan层，且sio2调节层中的sio2调节柱可以阻挡位错，保证快速生长的第二n型gan层的质量仍保持较好的水平。
106.示例性地，第二n型gan层的生长速率为5～7um/hour。能够得到质量较好的第二n型gan层。
107.可选地，第二n型gan层的生长温度、生长压力分别与第一n型gan层的生长温度、生长压力相同。本公开对此不再赘述。
108.s206：在第二n型gan层上生长多量子阱层。
109.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700～900℃，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800～950℃。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。
110.s207：在多量子阱层上生长algan电子阻挡层。
111.algan电子阻挡层的生长温度可为600～1000℃，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。
112.s208：在algan电子阻挡层上生长p型gan层。
113.可选地，p型gan层的生长压力可为100torr～300torr，p型gan层的生长温度可为800℃～950℃。
114.在本公开所提供的一种实现方式中，p型gan层的生长温度可为900℃，p型gan层的生长压力可为200torr。
115.s209：在p型gan层上生长p型接触层。
116.可选地，p型接触层的生长压力可为100torr～300torr，p型接触层的生长温度可为850℃～1050℃。
117.在本公开所提供的一种实现方式中，p型接触层的生长温度可为950℃，p型接触层的生长压力可为200torr。
118.需要说明的是，图5中所示的发光二极管外延片制备方法，相对图4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。
119.s210：对发光二极管外延片进行退火处理。
120.步骤s210可包括：将温度调整至650℃～850℃，在氢气氛围下对发光二极管外延片进行5分钟～15分钟的退火处理。
121.在本公开所提供的一种实现方式中，退火温度可为750℃，退火时间可为10min。
122.执行完步骤s210后的发光二极管外延片的结构可参见图3。
123.需要说明的是，在本公开实施例中，采用veecok465iorc4orrbmocvd(metalorganicchemicalvapordeposition，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h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气，高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂。
124.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。