GaN基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管与流程

gan基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管
技术领域
1.本发明涉及gan基发光二极管技术领域，特别涉及一种gan基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。


背景技术：

2.现阶段，gan基发光二极管(light emitting diode，简称：led)由于其高效，节能，环保等优势，已经大量应用于固态照明领域以及显示领域，得到了广泛应用。多量子阱结构作为gan基发光二极管发光的核心区域，由此也受到了广泛研究。
3.其中，多量子阱结构一般由ingan量子阱层和gan量子垒层交替层叠而成。传统的最后一个量子垒层是与前面量子垒层一样重复的gan层，其与ebl电子阻挡层会产生较大的晶格失配和能带变化，能带的突变会在最后一个量子垒层部分形成一个势垒尖峰，不利于空穴的注入，影响发光效率。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的是提供一种gan基发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管，旨在解决背景技术当中的至少一个技术问题。
5.根据本发明实施例当中的一种gan基发光二极管外延片，包括多量子阱层，所述多量子阱层为量子阱层和量子垒层交替生长的周期性结构；
6.其中，最后一个生长的量子垒层为复合量子垒层，所述复合量子垒层包括依次生长的inn子层、inalgan子层和aln子层，所述inalgan子层的in组分沿外延生长方向渐变降低，且所述inalgan子层的al组分沿外延生长方向渐变升高。
7.优选地，所述aln子层的生长温度高于所述inn子层的生长温度，所述inalgan子层的生长温度渐变升高。
8.优选地，所述inalgan子层的生长温度从所述inn子层的生长温度渐变升高至所述aln子层的生长温度，所述inn子层的生长温度为820～860℃，所述aln子层的生长温度为870～920℃。
9.优选地，所述inalgan子层的in组分沿外延生长方向由第一组分值渐变降低至0；
10.所述inalgan子层的al组分沿外延生长方向由0渐变升高至第二组分值；
11.其中，所述第一组分值为0.1-0.2，所述第二组分值为0.1-0.3。
12.优选地，所述inn子层的in组分小于等于所述第一组分值，所述aln子层的al组分为0.2-0.5。
13.优选地，所述复合量子垒层的厚度为8-15nm，其中，所述inn子层的厚度为0.5-3nm，所述inalgan子层的厚度为5-10nm，所述aln子层的厚度为0.5-3nm。
14.优选地，还包括衬底、gan低温缓冲层、不掺杂的gan层、n型掺杂gan层、电子阻挡层和p型掺杂gan层；
15.其中，所述gan低温缓冲层、所述不掺杂的gan层、所述n型掺杂gan层、所述多量子
阱层、所述电子阻挡层和所述p型掺杂gan层依次外延生长于所述衬底上。
16.根据本发明实施例当中的一种gan基发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的gan基发光二极管外延片，所述制备方法包括：
17.交替生长量子阱层和量子垒层，以制备多量子阱层，同时在生长最后一个的量子垒层时：
18.首先通入in源，以生长inn子层，然后再通入ga源和al源，并继续通入in源，同时控制in源通入量渐变降低，al源通入量渐变升高，以生长al组分和in组分均渐变的inalgan子层，最后关闭ga源和in源，保持al源通入，生长aln子层。
19.优选地，在交替生长量子阱层和量子垒层，以制备多量子阱层的步骤之前，还包括：
20.提供一外延生长用的衬底；
21.在所述衬底之上依次外延生长gan低温缓冲层、不掺杂的gan层和n型掺杂gan层，所述多量子阱层生长于所述n型掺杂gan层上；
22.在交替生长量子阱层和量子垒层，以制备多量子阱层的步骤之后，还包括：
23.在所述多量子阱层上依次外延生长电子阻挡层和p型掺杂gan层。
24.根据本发明实施例当中的一种发光二极管，包括上述的gan基发光二极管外延片。
25.与现有技术相比：通过对最后一个量子垒做特殊设计，具体为最后一个量子垒层分为3个子层；第一子层为inn层，第二子层为inalgan层，第三子层为aln层；第二子层inalgan层生长时，in组分渐变降低，al组分渐变升高；第一子层靠近量子阱层，采用inn生长，和ingan量子阱层很好的匹配，降低两者之间的晶格失配，避免引入大应变和极化电场，减小了电子阻挡层价带形成的势垒尖峰，减少了空穴注入的阻碍；此层与多量子阱层相接，温度相对较低，减少了对量子阱的破坏，且避免了对inn层in组分的分解；第二子层采用in和al组分渐变的inalgan层，其中in组分渐变降低，使得靠近第一子层的一端in组分偏高,晶格与第一子层inn层更匹配，al组分渐变升高，晶格与第三子层aln层更匹配，减少了缺陷的产生；本层温度也为渐变升高，提升晶格质量；第三子层为aln层，aln的高能阶可以起到部分电子阻挡层的作用，阻挡电子隧穿p层，且aln与后续顺序生长的电子阻挡层晶格失配较小，减少了缺陷，增加了空穴注入；
26.总的来说，本发明设计的最后一个量子垒的生长方法，提升了量子阱层与p层的晶格匹配，能阶渐变过渡，有效的减小了量子阱与电子阻挡层价带形成的势垒尖峰，有利于空穴的注入，同时起到了部分电子阻挡层的作用，减少电子溢流，提升了发光二极管的发光效率，也有利于其抗静电能力的提升。
附图说明
27.图1为本发明实施例一当中的gan基发光二极管外延片的结构示意图；
28.图2为本发明实施例一当中的多量子阱层的结构示意图。
29.如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
30.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中
给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
31.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
33.实施例一
34.请参阅图1，所示为本发明实施例一中的gan基发光二极管外延片，包括衬底1、以及依次外延生长于衬底1上的gan低温缓冲层2、不掺杂的gan层3、n型掺杂gan层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和p型掺杂gan层7。
35.其中，如图2所示，多量子阱层5为量子阱层51和量子垒层52交替生长的周期性结构，量子阱层51具体可以为ingan量子阱层，除最后一个生长的量子垒层以外的其他量子垒层52具体可以为gan量子垒层或inalgan量子垒层。在本实施例当中，最后一个生长的量子垒层具体为复合量子垒层53，该复合量子垒层53具体包括依次生长的inn子层531、inalgan子层532和aln子层533。在本实施例当中，inalgan子层532的in组分沿外延生长方向渐变降低，并且inalgan子层532的al组分沿外延生长方向渐变升高，同时aln子层533的生长温度高于inn子层531的生长温度，inalgan子层532的生长温度渐变升高。
36.需要说明的是，在最后一个ingan量子阱层之上先生长inn子层531，inn和ingan量子阱层很好的匹配，降低两者之间的晶格失配，避免引入大应变和极化电场，减小了电子阻挡层6价带形成的势垒尖峰，减少了空穴注入的阻碍；同时，此层与量子阱层51相接，温度相对较低，减少了对量子阱的破坏，且避免了对inn子层in组分的分解。然后，在inn子层531之后再生长in和al组分渐变的inalgan层，其中in组分渐变降低，使得靠近inn子层531的一端in组分偏高,晶格与inn子层531更匹配，al组分渐变升高，使得靠近后续aln子层533的一端al组分偏高,晶格与aln子层533更匹配，减少了缺陷的产生，同时本层温度也为渐变升高，提升晶格质量。最后在inalgan子层532上再生长aln层，aln的高能阶可以起到部分电子阻挡层6的作用，阻挡电子隧穿p层，且aln与后续顺序生长的电子阻挡层6晶格失配较小，减少了缺陷，增加了空穴注入。
37.在本实施例一些较佳情况当中，inalgan子层532的in组分沿外延生长方向由第一组分值渐变降低至0，第一组分值优选为0.1-0.2，例如为0.15或0.18；inalgan子层532的al组分沿外延生长方向由0渐变升高至第二组分值，第二组分值优选为0.1-0.3，例如为0.2或0.25；inn子层531的in组分小于等于第一组分值，例如为0.1-0.2，aln子层533的al组分为0.2-0.5。inalgan子层532的生长温度从inn子层531的生长温度渐变升高至aln子层533的生长温度，也即inalgan子层532刚开始生长时以inn子层531的生长温度生长，然后生长温度渐变升高，最终生长温度达到aln子层533的生长温度，inn子层531的生长温度优选为820～860℃，例如为830℃或850℃，aln子层533的生长温度为870～920℃，例如为890℃或910
℃。基于此组分配比和温度控制情况下，这三个子层之间形成了较佳的能阶渐变过渡效果，大幅降低彼此间晶格失配和晶格缺陷的产生，大幅缩小量子阱与电子阻挡层6价带形成的势垒尖峰。
38.在具体实施时，复合量子垒层53的厚度可以为8-15nm，例如为12或14nm，其中，inn子层531的厚度为0.5-3nm，例如为1或2nm，inalgan子层532的厚度为5-10nm，例如为6或8nm，aln子层533的厚度为0.5-3nm，例如为1或2nm，由于inalgan子层532在aln子层533和inn子层531之间起到过度作用，因此inalgan子层532的厚度设置为最大，能够充分发挥inalgan子层532的能阶过渡作用。此外，多量子阱层515的交替生长周期可以为3～15，例如为7或9，每个周期当中的量子阱层51的厚度约为2～4nm，并且除最后一个生长的量子垒层以外的每个周期当中的量子垒层52的厚度为5～15nm。此外，gan低温缓冲层2的厚度可以为10～30nm，例如为15或25nm，不掺杂的gan层3的厚度约可以为1～5μm，例如为2或3um，n型掺杂gan层4具体可以为掺杂si的gan层，其厚度约可以为1～3μm，例如为2或2.5um，电子阻挡层6可以是gan和algan的超晶格结构，p型掺杂gan层7厚度约为50～300nm，例如为100或200nm。
39.实施例二
40.本发明实施例二提出一种gan基发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述实施例一当中的gan基发光二极管外延片，所述方法具体包括步骤s21-步骤s28，其中：
41.步骤s21，提供外延生长所需衬底，优选为蓝宝石衬底。
42.具体地，控制反应室温度为1050～1200℃温度下，在氢气气氛中对衬底进行约3～6min的高温处理，对衬底片进行高温清洗，减少杂质。
43.步骤s22，在蓝宝石衬底上生长gan低温缓冲层，生长温度为500℃～700℃，生长压力为200～400torr。
44.示例性地，gan低温缓冲层的生长厚度可以为10～30nm。
45.步骤s23，在gan低温缓冲层上生长不掺杂的gan层，生长温度为1000～1150℃，压力为200～400torr。
46.示例性地，不掺杂的gan层的厚度约为1～5μm。
47.步骤s24，在不掺杂的gan层上生长n型掺杂gan层，生长温度为1000～1150℃，生长压力为200～400torr。
48.示例性地，n型掺杂gan层为掺杂si的gan层，其厚度约为1～3μm。
49.步骤s25，在n型掺杂gan层上生长交替生长量子阱层和量子垒层，以制备多量子阱层，同时在生长最后一个的量子垒层时：首先，在生长完最后一个量子阱层后，压力保持不变，控制反应室的温度到820～860℃，通入in源，以生长inn子层；其次，再通入ga源和al源，并继续通入in源，同时控制in源通入量渐变降低至0，al源通入量渐变升高，控制反应室的温度由inn子层的生长温度渐变升高至870～920℃，以生长al组分和in组分均渐变的inalgan子层；最后，关闭ga源和in源，保持al源通入，在870～920℃的反应室温度下生长aln子层。
50.示例性地，多量子阱层中量子阱层的数量可以为3～15层，多量子阱层的生长压力为100～500torr。每个周期当中的量子阱层的厚度约为2～4nm、生长温度可以为700～800℃；除最后一个量子垒层以外的每个周期当中的量子垒层的厚度为5～15nm、生长温度为
850～950℃。最后一个量子垒层的生长温度可以为800～950℃。
51.步骤s26，在多量子阱层上生长电子阻挡层，生长温度为800～1000℃，生长压力为100～300torr。
52.示例性地，所述电子阻挡层可以是gan和algan的超晶格结构。
53.步骤s27，在电子阻挡层上生长p型掺杂gan层，其生长温度约为800～1000℃，生长压力为100～300torr。
54.示例性地，所述p型掺杂gan层厚度约为50～300nm。
55.综上，本发明实施例当中的gan基发光二极管外延片，通过对最后一个量子垒做特殊设计，具体为最后一个量子垒层分为3个子层；第一子层为inn层，第二子层为inalgan层，第三子层为aln层；第二子层inalgan层生长时，in组分渐变降低，al组分渐变升高；第一子层靠近量子阱层，采用inn生长，和ingan量子阱层很好的匹配，降低两者之间的晶格失配，避免引入大应变和极化电场，减小了电子阻挡层价带形成的势垒尖峰，减少了空穴注入的阻碍；此层与多量子阱层相接，温度相对较低，减少了对量子阱的破坏，且避免了对inn层in组分的分解；第二子层采用in和al组分渐变的inalgan层，其中in组分渐变降低，使得靠近第一子层的一端in组分偏高,晶格与第一子层inn层更匹配，al组分渐变升高，晶格与第三子层aln层更匹配，减少了缺陷的产生；本层温度也为渐变升高，提升晶格质量；第三子层为aln层，aln的高能阶可以起到部分电子阻挡层的作用，阻挡电子隧穿p层，且aln与后续顺序生长的电子阻挡层晶格失配较小，减少了缺陷，增加了空穴注入；
56.总的来说，本发明设计的最后一个量子垒的生长方法，提升了量子阱层与p层的晶格匹配，能阶渐变过渡，有效的减小了量子阱与电子阻挡层价带形成的势垒尖峰，有利于空穴的注入，同时起到了部分电子阻挡层的作用，减少电子溢流，提升了发光二极管的发光效率，也有利于其抗静电能力的提升。
57.实施例三
58.本发明第三实施例提出一种发光二极管，包括上述实施例一当中的gan基发光二极管外延片，所述gan基发光二极管外延片可由上述实施例二当中的gan基发光二极管外延片的制备方法外延生长得到。
59.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。