GaN基发光二极管外延片的制备方法和外延片与流程

gan基发光二极管外延片的制备方法和外延片
技术领域
1.本公开涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种gan基发光二极管外延片的制备方法和外延片。


背景技术：

2.发光二极管(light emitting diode，micro led)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管，具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及在衬底上生长出的外延层。
3.相关技术中，gan基发光二极管外延片包括：衬底、aln缓冲层、n型gan层、多量子阱层、p型gan层、电子阻挡层和p型接触层。其中，p型gan层中通常会重掺mg，以提高p型gan层的空穴浓度，提升发光效率。
4.然而，在向反应室内通入mg源，对p型gan层进行掺杂的过程中，特别是gan材料体系，由于mg的记忆效应导致mg容易附着在反应室的腔壁，进而影响p型gan层中mg实际的掺杂浓度，使p型gan层的空穴浓度降低，从而影响发光二极管芯片的发光效率。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供了一种gan基发光二极管外延片的制备方法和外延片，能改善在p型gan层中掺杂mg时，因mg的记忆效应导致掺杂浓度较低的问题，提升发光二极管芯片的发光效率。所述技术方案如下：
6.一方面，本公开实施例提供了一种gan基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；在所述衬底上外延生长n型gan层；在所述n型gan层上外延生长多量子阱层；采用脉冲方式间隔性地向反应室通入mg源，在所述多量子阱层上形成预处理层，所述预处理层为mg金属层；在所述预处理层上外延生长p型gan层。
7.可选地，采用脉冲方式通入mg源时，控制通入mg源的时间与停止通入mg源的时间之比为3:1至10:1。
8.可选地，通入mg源的总时间为60s至1000s。
9.可选地，通入mg源时，控制反应室内的温度为700℃至800℃。
10.可选地，通入mg源时，控制反应室内压力为200torr至600torr。
11.可选地，通入mg源的mg浓度为1
×
10
19
cm-3
至1
×
10
21
cm-3
。
12.可选地，所述在所述衬底上外延生长n型gan层之前，包括：在所述衬底上生长aln缓冲层；在纯氢气的气氛下对所述aln缓冲层进行热处理，热处理的温度为1100℃至1200℃。
13.可选地，所述在纯氢气的气氛下对所述aln缓冲层进行热处理之后，包括：在生长温度为1000℃至1100℃，生长压力为100torr至500torr的条件下，生长三维gan缓冲层。
14.可选地，所述在所述预处理层上外延生长p型gan层包括：向反应室通入mg源，在生
长温度为600℃至800℃，生长压力为200torr至500torr的条件下，生长第一p型gan层；在生长温度为700℃至1000℃，生长压力为100torr至500torr的条件下，在所述第一p型gan层生长电子阻挡层；向反应室通入mg源，在生长温度为800℃至1000℃，生长压力为200torr至600torr的条件下，在所述电子阻挡层上生长第二p型gan层；在生长温度为850℃至1000℃，生长压力为100torr至300torr的条件下，在所述第二p型gan层上生长p型接触层。
15.另一方面，本公开实施例还提供了一种gan基发光二极管外延片，所述gan基发光二极管外延片包括依次层叠在衬底上的n型gan层、多量子阱层、预处理层和p型gan层；所述预处理层采用脉冲方式间隔性地向反应室通入mg源形成，所述预处理层为mg金属层。
16.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
17.本公开实施例提供的gan基发光二极管外延片的制备方法在衬底上外延生长n型gan层和多量子阱层后，先在多量子阱层上采用脉冲方式间隔性地向反应室内通入mg源，以在多量子阱层上形成预处理层，然后在预处理层上外延生长p型gan层。
18.这样在生长p型gan层前，先预通mg源，预先在反应室的腔壁上附着一定量的cp2mg，使得在生长重掺mg的p型gan层时，有更多的cp2mg可以沉积在p型gan层上，从而提高重掺mg的p型gan层中mg浓度，即提高空穴浓度，以增加芯片的量子效率。预处理层为mg金属层，能有效提升p型gan层中靠近多量子阱层的区域的mg掺杂浓度。并且，预通mg源后生长的p型gan层中空穴浓度的提高，使得载流子主要集中在晶体质量较差的靠近p型gan层的量子阱中发光，从而提高发光二极管芯片的发光效率，以及提高发光二极管芯片的发光强度。
19.并且，mg源采用脉冲方式，使mg源间隔性通入反应室，由于cp2mg沉积过程中容易出现聚集在一起的团簇问题，通过间歇性地通入mg源，在停止通入的时间内让cp2mg能有时间扩散，从而有利于mg均匀覆盖多量子阱层的表面，形成均匀的预处理层，减少mg源团簇形成杂质而影响外延片晶体质量，利于后续生长p型gan层时mg的掺杂，有效提升mg实际的掺杂浓度，提升p型gan层的空穴浓度，改善发光二极管芯片的发光效率。
附图说明
20.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。
21.图1是本公开实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的结构示意图；
22.图2是本公开实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的制备方法的流程图；
23.图3是本公开实施例提供的另一种gan基发光二极管外延片的制备方法的流程图。
24.图中各标记说明如下：
25.10、衬底；
26.21、n型gan层；22、aln缓冲层；23、三维gan缓冲层；24、gan恢复层；
27.30、多量子阱层；
28.40、预处理层；
29.50、p型gan层；51、第一p型gan层；52、电子阻挡层；53、第二p型gan层；54、p型接触层。
具体实施方式
30.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。
31.相关技术中，gan基发光二极管外延片通常包括依次层叠的衬底、aln缓冲层、n型gan层、多量子阱层、p型gan层、电子阻挡层和p型接触层。为提高p型gan层的空穴浓度，在生长p型gan层时还会向反应室通入mg源，且通入的mg源可以是cp2mg。
32.其中，cp2mg从被运输到反应室的过程中，cp2mg很容易吸附在运输管道和反应室的腔壁上，也即是mg的记忆效应。这就导致p型gan层中mg实际的掺杂浓度较低，且让p型gan层的空穴浓度降低，影响发光二极管芯片的发光效率。
33.为此，本公开实施例提供了一种gan基发光二极管外延片。图1是本公开实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的结构示意图。如图1所示，该gan基发光二极管外延片包括依次层叠在衬底10上的n型gan层21、多量子阱层30、预处理层40和p型gan层50。
34.其中，预处理层40采用脉冲方式间隔性地向反应室通入mg源形成，预处理层40为mg金属层。
35.本公开实施例提供的gan基发光二极管外延片在多量子阱层30和p型gan层50之间设置预处理层40，由于预处理层40是采用脉冲方式间隔性地向反应室内通入mg源，在多量子阱层30上形成的。这样在形成p型gan层50前，就会先预通mg源，以预先在反应室的腔壁上附着一定量的cp2mg，使得在生长重掺mg的p型gan层50时，有更多的cp2mg可以沉积在p型gan层50上，从而后续生长p型gan层50的高重掺mg的p型gan层50中mg浓度，即提高空穴浓度，以增加芯片的量子效率。
36.本公开实施例中，p型gan层通常包括mg掺杂浓度依次减小的第一子层、第二子层和第三子层，mg掺杂浓度最大的第一子层靠近多量子阱层。由于第一子层要求mg掺杂浓度较高，这样在生长第一子层前先形成预处理层，能有效提升第一子层的mg掺杂浓度，也即提升p型gan层50中靠近多量子阱层30的区域的mg掺杂浓度。预通mg源后生长的p型gan层50中空穴浓度的提高，使得载流子主要集中在晶体质量较差的靠近p型gan层50的量子阱中发光，从而提高发光二极管芯片的发光效率，以及提高发光二极管芯片的发光强度。
37.并且，mg源采用脉冲方式，使mg源间隔性通入反应室，由于cp2mg沉积过程中容易出现聚集在一起的团簇问题，通过间歇性地通入mg源，在停止通入的时间内让cp2mg能有时间扩散，从而有利于mg均匀覆盖多量子阱层30的表面，形成均匀的预处理层40，减少mg源团簇形成杂质而影响外延片晶体质量，利于后续生长p型gan层50时mg的掺杂，有效提升mg实际的掺杂浓度，提升p型gan层50的空穴浓度，改善发光二极管芯片的发光效率。
38.可选地，衬底10可以是蓝宝石衬底10。
39.需要说明的是，衬底10也可为gan平片、sic平片、si平片其中的一种衬底10，本公开实施例不做限制。
40.本公开实施例中，如图1所示，在衬底10和n型gan层21之间还包括依次层叠在衬底10上的三维gan缓冲层23和未掺杂的gan恢复层24。
41.示例性地，aln缓冲层22的厚度可以是10mm至50mm。作为示例，本公开实施例中，aln缓冲层22的厚度可为30nm。
42.示例性地，三维gan缓冲层23的厚度可以是1μm至5μm。作为示例，本公开实施例中，
三维gan缓冲层23的厚度为3μm m。
43.示例性地，未掺杂的gan恢复层24的厚度可以是1μm至5μm。作为示例，本公开实施例中，未掺杂的gan恢复层24的厚度为3μm m。
44.示例性地，n型gan层21进行si掺杂，si掺杂的浓度可为1
×
10
18
至1
×
10
19c
m-3
。
45.可选地，n型gan层21的厚度可为1μm至5μm。示例性地，n型gan层21的厚度可为3μm。
46.可选地，多量子阱层30可包括5至11个周期的ingan量子阱层和gan量子垒层。ingan量子阱层的生长厚度可为2nm至3nm；gan量子垒层的生长厚度可为9nm至20nm。
47.可选地，预处理层40的厚度可以是1nm至20nm。作为示例，本公开实施例中，预处理层40的厚度是5nm。
48.本公开实施例中，如图1所示，p型gan层50包括：依次层叠在多量子阱层30上的第一p型gan层51、电子阻挡层52、第二p型gan层53和p型接触层54。
49.其中，第一p型gan层51为重掺mg的低温p型gan层。第一p型gan层51的厚度可以是50nm至100nm。
50.作为示例，本公开实施例中，第一p型gan层51的厚度为80nm。
51.设置第一p型gan层51可以保证有足够的空穴进入多量子阱层30与电子复合，以保证发光二极管的发光效率。
52.示例性地，第一p型gan层51中，mg的掺杂浓度为1
×
10
20
cm-3
至2
×
10
20
cm-3
。
53.可选地，电子阻挡层52可以是p型algan电子阻挡层52。电子阻挡层52的厚度可为20nm至100nm。
54.作为示例，本公开实施例中，电子阻挡层52的厚度可为30nm。
55.其中，p型algan电子阻挡层52中的掺杂元素可为mg，mg的掺杂浓度小于10
19
cm-3
。可保证电子阻挡层52的效果与质量。
56.示例性地，p型algan电子阻挡层52中al的组分可控制在10％至30％。
57.可选地，在p型algan电子阻挡层52上能生长质量较好的第二p型gan层53，可提供足够的空穴，吸光效应也较为轻微，有利于提高发光二极管的发光效率。
58.示例性地，第二p型gan层53的厚度可为100nm至200nm。作为示例，本公开实施例中，第二p型gan层53的厚度可为150nm。
59.其中，第二p型gan层53中的掺杂元素为mg，第二p型gan层53中mg的掺杂浓度为1
×
10
19
至1
×
10
20
cm-3
。此时可得到发光效率较好的发光二极管。
60.可选地，p型接触层54的厚度可为10nm至50nm。作为示例，本公开实施例中，p型接触层54的厚度可为30nm
61.图2是本公开实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的制备方法的流程图。该方法用于制备图1所示的gan基发光二极管外延片。如图2所示，该制备方法包括：
62.s11：提供一衬底10。
63.s12：在衬底10上外延生长n型gan层21。
64.s13：在n型gan层21上外延生长多量子阱层30。
65.s14：采用脉冲方式间隔性地向反应室通入mg源，在多量子阱层30上形成预处理层40。
66.其中，预处理层为mg金属层。
67.s15：在预处理层40上外延生长p型gan层50。
68.本公开实施例提供的gan基发光二极管外延片的制备方法在衬底10上外延生长n型gan层21和多量子阱层30后，先在多量子阱层30上采用脉冲方式间隔性地向反应室内通入mg源，以在多量子阱层30上形成预处理层40，然后在预处理层40上外延生长p型gan层50。
69.这样在生长p型gan层50前，先预通mg源，预先在反应室的腔壁上附着一定量的cp2mg，使得在生长重掺mg的p型gan层50时，有更多的cp2mg可以沉积在p型gan层50上，从而提高重掺mg的p型gan层50中mg浓度，即提高空穴浓度，以增加芯片的量子效率。并且，预通mg源后生长的p型gan层50中空穴浓度的提高，使得载流子主要集中在晶体质量较差的靠近p型gan层50的量子阱中发光，从而提高发光二极管芯片的发光效率，以及提高发光二极管芯片的发光强度。
70.并且，mg源采用脉冲方式，使mg源间隔性通入反应室，有利于mg均匀覆盖多量子阱层30的表面，形成均匀的预处理层40，减少mg源团簇形成杂质影响而外延片晶体质量，利于后续生长p型gan层50时mg的掺杂，有效提升mg实际的掺杂浓度，提升p型gan层50的空穴浓度，改善发光二极管芯片的发光效率。
71.图3是本公开实施例提供的另一种gan基发光二极管外延片的制备方法的流程图。如图3所示，该制备方法包括：
72.s21：提供一衬底10。
73.可选地，衬底10为蓝宝石衬底10。蓝宝石透光率比较高，即衬底10为透明衬底10。且蓝宝石材料比较坚硬，化学特性比较稳定，使红光发光二极管具有良好的发光效果和稳定性。
74.在步骤s21中，可以对蓝宝石衬底10进行预处理，将蓝宝石衬底10置于mocvd(metal-organic chemical vapor deposition，金属有机化合物化学气相沉积)反应腔中，对蓝宝石衬底10进行烘烤处理12分钟至18分钟。作为示例，本公开实施例中，对蓝宝石衬底10进行烘烤处理15分钟。
75.具体地，烘烤温度可以为1000℃至1200℃，烘烤时mocvd反应腔内的压力可以为100mbar至200mbar。
76.步骤s22：在衬底10上生长aln缓冲层22。
77.其中，步骤s22可包括将衬底10放入磁控溅射设备以形成aln缓冲层22。这种形式生长得到的aln缓冲层22的质量较好。
78.示例性地，aln缓冲层22溅射时的温度可为600℃至800℃。在aln缓冲层22的生长过程中，aln缓冲层22的溅射温度为以上范围可得到质量较好的aln缓冲层22，进而保证发光二极管质量。
79.可选地，aln缓冲层22溅射时的压力可为4mtorr至10mtorr。将aln缓冲层22的溅射压力设置在以上范围可保证得到的aln缓冲层22的质量较好，进而保证在aln缓冲层22上生长的外延层的质量，最终提高发光二极管的发光效率。
80.可选地，aln缓冲层22的厚度可为10nm至50nm。作为示例，本公开实施例中，aln缓冲层22的厚度为30nm。
81.步骤s23：在纯氢气的气氛下对aln缓冲层22进行热处理，热处理的温度为1100℃至1200℃。
82.其中，在aln缓冲层22上生长n型gan层21之前，将衬底10放置在金属有机化合物化学气相沉淀mocvd中；向mocvd中通入氢气，对aln缓冲层22进行10min至15min的热处理。在将生长有aln缓冲层22的衬底10转移至mocvd之后，先在氢气气氛下对aln缓冲层22进行高温热处理，可去除aln缓冲层22表面的部分不稳定的aln晶体，保证aln层表面的洁净，进而保证在aln缓冲层22上生长的外延层的质量。
83.其中，热处理的温度为1100℃至1200℃。在此温度条件下进行aln缓冲层22的热处理，可去除aln缓冲层22不稳定的单晶aln晶体，远离衬底10方向aln薄膜表面会形成凹坑，这样有利促进后续的三维gan缓冲层23生长，获得高质量外延层。
84.步骤s24：在aln缓冲层22上生长三维gan缓冲层23。
85.其中，生长三维gan缓冲层23时，控制生长温度为1000℃至1100℃，生长压力为100torr至500torr。
86.示例性地，在生长温度为1000℃，生长压力为300torr的条件下，生长三维gan缓冲层23。
87.步骤s25：在三维gan缓冲层23上生长未掺杂的gan恢复层24。
88.其中，三维gan缓冲层23的生长温度可以是1000℃至1100℃，生长压力可为100torr至500torr。在此条件下生长得到的三维gan缓冲层23的质量较好。
89.示例性地，未掺杂的gan恢复层24的厚度可以是1μm至5μm。作为示例，本公开实施例中，gan恢复层24的厚度可以是3μm。
90.步骤s26：在gan恢复层24上外延生长n型gan层21。
91.其中，n型gan层21的生长温度可为1000℃至1200℃，生长压力可为100torr至500torr。
92.示例性地，n型gan层21可进行si掺杂，si掺杂的浓度可为1
×
10
18
至1
×
10
19
cm-3
。
93.示例性地，n型gan层21的生长厚度可以是1μm至5μm。作为示例，本公开实施例中，n型gan层21的生长厚度为3μm。
94.步骤s27：在n型gan层21上外延生长多量子阱层30。
95.可选地，步骤s27中，多量子阱层30可包括5至11个周期的ingan量子阱层和gan量子垒层。
96.其中，ingan量子阱层的生长温度可为720℃至829℃，ingan量子阱层的生长压力可为100torr至500torr，ingan量子阱层的生长厚度可为2min至3nm；gan量子垒层的生长温度可为850℃至959℃，gan量子垒层的生长压力可为100torr至500torr，gan量子垒层的生长厚度可为9nm至20nm。
97.步骤s28：采用脉冲方式间隔性地向反应室通入mg源，在多量子阱层30上形成预处理层40。
98.其中，预处理层40为mg金属层。
99.可选地，采用脉冲方式通入mg源时，控制通入mg源的时间与停止通入mg源的时间之比为3:1至10:1。
100.这样控制通入mg源的时间与停止通入mg源的时间之比为该范围内，使mg源间隔性通入反应室，有利于mg均匀覆盖多量子阱层30的表面，形成均匀的预处理层40，减少mg源团簇形成杂质影响而外延片晶体质量，利于后续生长p型gan层50时mg的掺杂，有效提升mg实
际的掺杂浓度，提升p型gan层50的空穴浓度，改善发光二极管芯片的发光效率。
101.示例性地，在控制mg源采用脉冲方式通入反应室时，通入mg源的时间与停止通入mg源的时间之比为5:1至8:1时，能形成更为均匀的预处理层40，使mg的均匀覆盖n型gan层21的表面，减少mg源团簇形成杂质影响而外延片晶体质量。
102.作为示例，本公开实施例中，通入mg源的时间与停止通入mg源的时间之比可以是6:1。
103.本公开实施例中，通入mg源的间断次数可以不小于2次，这样在通入mg源时，通过多次间断预通，使mg源间隔性通入反应室，有利于mg均匀覆盖多量子阱层30的表面，形成均匀的预处理层40。
104.可选地，通入mg源的总时间为60s至1000s。控制通入mg源的总时间在该范围内，以避免通入mg源的总时间过小而难以形成均匀的预处理层40，不利于后续生长p型gan层50时mg的掺杂；还能避免通入mg源的总时间过长会导致外延片成本增加。
105.示例性地，mg源通入反应室的总时间可以是500s至600s。例如，mg源通入反应室的总时间可以是600s。
106.可选地，通入mg源时，控制反应室内的温度为700℃至800℃。
107.示例性地，预通mg源至反应室的温度是700℃至780℃时，能形成更为均匀的预处理层40，减少mg源团簇形成杂质影响而外延片晶体质量。
108.作为示例，本公开实施例中，预通mg源至反应室的温度是750℃。
109.可选地，通入mg源时，控制反应室内压力为200torr至600torr。
110.示例性地，预通mg源至反应室的压力是300torr至500torr时，能形成更为均匀的预处理层40，减少mg源团簇形成杂质影响而外延片晶体质量。
111.作为示例，本公开实施例中，预通mg源至反应室的压力是500torr。
112.可选地，通入mg源的mg浓度为1
×
10
19
cm-3
至1
×
10
21
cm-3
。
113.示例性地，通入mg源的mg浓度为1
×
10
20
cm-3
至1
×
10
21
cm-3
时，能形成更为均匀的预处理层40，减少mg源团簇形成杂质影响而外延片晶体质量。
114.作为示例，本公开实施例中，通入mg源的mg浓度为1
×
10
20
cm-3
。
115.步骤s29：在预处理层40上外延生长p型gan层50。
116.本公开实施例中，外延生长p型gan层50可以包括以下几步。
117.第一步，向反应室通入mg源，在生长温度为600℃至800℃，生长压力为200torr至500torr的条件下，生长第一p型gan层51。
118.示例性地，在生长温度为700℃，生长压力为300torr的条件下，生长第一p型gan层51。
119.其中，第一p型gan层51为重掺mg的低温p型gan层。第一p型gan层51的厚度可以是50nm至100nm。
120.作为示例，本公开实施例中，第一p型gan层51的厚度为80nm。
121.设置第一p型gan层51可以保证有足够的空穴进入多量子阱层30与电子复合，以保证发光二极管的发光效率。
122.示例性地，第一p型gan层51中，mg的掺杂浓度为1
×
10
20
cm-3
至2
×
10
20
cm-3
。
123.第二步，在生长温度为700℃至1000℃，生长压力为100torr至500torr的条件下，
在第一p型gan层51生长电子阻挡层52。
124.示例性地，在生长温度为800℃，生长压力为300torr的条件下，生长电子阻挡层52。
125.可选地，电子阻挡层52可以是p型algan电子阻挡层52。电子阻挡层52的厚度可为20nm至100nm。
126.作为示例，本公开实施例中，电子阻挡层52的厚度可为30nm。
127.其中，p型algan电子阻挡层52中的掺杂元素可为mg，mg的掺杂浓度小于10
19
cm-3
。可保证电子阻挡层52的效果与质量。
128.示例性地，p型algan电子阻挡层52中al的组分可控制在10％至30％。
129.可选地，在p型algan电子阻挡层52上能生长质量较好的第二p型gan层53，可提供足够的空穴，吸光效应也较为轻微，有利于提高发光二极管的发光效率。
130.第三步，向反应室通入mg源，在生长温度为800℃至1000℃，生长压力为200torr至600torr的条件下，在电子阻挡层52上生长第二p型gan层53。
131.示例性地，在生长温度为900℃，生长压力为500torr的条件下，生长第二p型gan层53。
132.示例性地，第二p型gan层53的厚度可为100nm至200nm。作为示例，本公开实施例中，第二p型gan层53的厚度可为150nm。
133.其中，第二p型gan层53中的掺杂元素为mg，第二p型gan层53中mg的掺杂浓度为1
×
10
19
至1
×
10
20
cm-3
。此时可得到发光效率较好的发光二极管。
134.第四步，在生长温度为850℃至1000℃，生长压力为100torr至300torr的条件下，在第二p型gan层53上生长p型接触层54。
135.示例性地，在生长温度为900℃，生长压力为200torr的条件下，生长p型接触层54。
136.可选地，p型接触层54的厚度可为10nm至50nm。作为示例，本公开实施例中，p型接触层54的厚度可为30nm。
137.在执行完步骤s29之后，还可以在氮气氛围下对外延片进行退火处理，其中，退火温度为650℃至850℃，退火时长为5min至15min。
138.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。