一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法与流程

1.本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法。


背景技术：

2.众所周知，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。其中，多量子阱作为led发光的核心结构，多量子阱结构缺陷会直接影响led发光的质量，所以多量子阱一直都是行业内主要研究对象之一。
3.目前，多量子阱内部存在一定的强极化电场和高位错密度等缺陷，尤其是对于绿光led等这种高in组分gan基led来说，不仅量子阱内受到更大的极化电场，且存在更多的缺陷，这导致了多量子阱内部in团簇，in组分分布不均匀，发光区域不集中，从而导致绿光的波长均匀性差，严重影响良率。


技术实现要素：

4.基于此，本发明的目的是提供一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，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绿光发光二极管的外延片，包括多量子阱层，还包括多量子阱准备层，所述多量子阱层生长于所述多量子阱准备层之上，所述多量子阱准备层包括依次外延生长的algan层、inalgan层、ingan层和inn层，所述多量子阱层生长于所述inn层之上；
6.其中，所述algan层的生长温度大于所述ingan层的生长温度，并且所述algan层与所述ingan层的生长温度差位于100-230℃之间，所述inalgan层的生长温度由所述algan层的生长温度渐变降低至所述ingan层的生长温度，所述ingan层和所述inn层的生长温度相等。
7.优选地，所述inalgan层的in组分含量渐变升高，所述inalgan层的al组分含量渐变降低。
8.优选地，所述inalgan层的in组分含量由0渐变升高至所述ingan层的in组分含量；
9.其中，所述inalgan层的al组分含量由所述algan层的al组分含量渐变降低至0。
10.优选地，所述ingan层的in组分含量为0.1-0.2，所述algan层的al组分含量为0.1-0.3。
11.优选地，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，所述inn层与所述多量子阱层中的量子阱层接触；
12.所述inn层的in组分含量大于等于所述量子阱层的in组分含量，所述量子阱层的in组分含量为0.1-0.4。
13.优选地，所述多量子阱准备层的厚度为30-60nm，所述algan层的厚度为3-6nm，所
述inalgan层的厚度为5-20nm，所述ingan的厚度为5-20nm，所述inn层的厚度为3-6nm。
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.所述gan低温缓冲层、所述不掺杂的gan层、所述n型掺杂gan层、所述多量子阱准备层、所述多量子阱层、所述电子阻挡层和所述p型掺杂gan层依次生长于所述衬底之上。
16.根据本发明实施例当中的一种绿光发光二极管的外延片的制备方法，用于制备上述的绿光发光二极管的外延片，所述制备方法包括：
17.依次外延生长algan层、inalgan层、ingan层和inn层，以生长得到多量子阱准备层；
18.在所述多量子阱准备层的inn层之上外延生长多量子阱层。
19.优选地，所述依次外延生长algan层、inalgan层、ingan层和inn层，以生长得到多量子阱准备层的步骤包括：
20.控制反应室温度为1000～1030℃，反应室压力为100-300torr，通入al源和ga源，生长algan层；
21.保持压力不变，打开入in源，控制al源通入量渐变减少为0，控制in源通入量由0渐变增加，持续通入ga源，其中反应室温度渐变降低至800～900℃，生长ingan层；
22.保持反应室压力不变，温度控制在800～900℃不变，持续通入in源和ga源，生长ingan层；
23.保持反应室压力和温度不变，关闭ga源，持续通入in源，生长inn层，最终生长得到多量子阱准备层。
24.优选地，在所述依次外延生长algan层、inalgan层、ingan层和inn层，以生长得到多量子阱准备层的步骤之前，还包括：
25.提供一外延生长用的衬底；
26.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，所述多量子阱准备层在所述n型掺杂gan层上生长；
27.在所述多量子阱准备层的inn层之上外延生长多量子阱层的步骤之后，还包括：
28.在所述多量子阱层之上依次外延生长电子阻挡层和p型掺杂gan层。
29.与现有技术相比：通过在生长多量子阱之前先生长一层多量子阱准备层，该多量子阱准备层为algan层、inalgan层、ingan层和inn层依次生长得到的复合层结构，先高温生长一层algan薄层，由于al原子晶格常数较小，高温有利于提升外延层的晶格质量，能够阻挡从底层延伸的缺陷，避免过多缺陷延伸至量子阱中，减少多量子阱内缺陷，从而增加in组分的分布均匀性；然后再生长一层温度渐变降低的inalgan层，这一层能够与之前的algan薄层和后续的ingan层更好的衔接，温度的渐变能够使前后晶格更加匹配，减少应力的产生，减少极化效应带来的in组分分布不均匀的问题；然后再生长一层ingan层，由于量子阱层为高in组分的ingan层，所以这一层引入了in原子，是为了和量子阱层晶格更匹配，从而释放了绿光多量子阱层的应力，减少了量子阱内极化；最后再生长一个层inn层，inn层和多量子阱衔接，提供富in环境，可以增加高in组分量子阱中in组分的并入，减小量子阱极化场，减小量子阱内的能带倾斜，从而增强载流子在阱层中的注入和扩散，从而使得量子阱发光区域均匀化。并且ingan层和inn层相比于algan层具有较大的降温幅度，采用低温生长方
式起到了释放应力，并更有利于in的并入；
30.因此，本发明所设计的多量子阱准备层，成功减少了量子阱中缺陷，并使得底层与量子阱的晶格更加匹配，释放了绿光多量子阱层的应力，而且提供了富in环境，增加了绿光in组分的并入，减少了量子阱内的极化效应，从而减少了in的团簇现象，使得in组分分布更均匀，发光区域更均匀，发光波长均匀性提升。
附图说明
31.图1为本发明实施例一当中的绿光发光二极管的外延片的结构示意图。
32.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
33.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。
34.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。
35.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。
36.实施例一
37.请参阅图1，所示为本发明实施例一中的绿光发光二极管的外延片，包括衬底1、以及依次在衬底1之上外延生长的gan低温缓冲层2、不掺杂的gan层3、n型掺杂gan层4、多量子阱准备层5，多量子阱层6、电子阻挡层7和p型掺杂gan层8。本实施例在多量子阱层6之前先生长一层多量子阱准备层5，也即在n型掺杂gan层4和多量子阱层6之间插入一层多量子阱准备层5，主要通过多量子阱准备层5来减少多量子阱层内部的缺陷，提升发光波长均匀性。
38.具体地，多量子阱准备层5包括依次外延生长的algan层51、inalgan层52、ingan层53和inn层54，多量子阱层6生长于inn层54之上，在本实施例当中，algan层51的生长温度大于ingan层53的生长温度，inalgan层52的生长温度由algan层51的生长温度渐变降低至ingan层53的生长温度，ingan层53和inn层54的生长温度相等。具体地，algan层51为高温生长，具体生长温度可以为1000℃，ingan层53和inn层54为低温生长，具体生长温度为800℃，algan层51与ingan层53的生长温度差为200℃，具有较大的降温幅度，能够起到更好的释放应力效果，并更有利于in的并入。
39.除此之外，inalgan层52的in组分含量渐变升高，inalgan层52的al组分含量渐变降低，这种温度渐变和组分渐变的inalgan层52能够与其前后的algan层51和ingan层53更适配，大幅降低晶体缺陷。在本实施例一些较佳实施情况当中，inalgan层52的in组分含量由0渐变升高至ingan层53的in组分含量，inalgan层52的al组分含量由algan层51的al组分
含量渐变降低至0，具体地，在本实施例当中，ingan层53的in组分含量为0.2，algan层51的al组分含量为0.3，也即inalgan层52的al组分含量由0.3渐变降低至0、in组分含量由0渐变升高至0.2，其中，inalgan层52的组分可以通过inaalbga
1-a-b
n来表示，则a由0渐变升高至0.2，b由0.3渐变降低至0。此外，多量子阱层6为量子阱层和量子垒层交替生长的周期性结构，其中量子阱层具体为ingan量子阱层，量子垒层具体为gan量子垒层或ingan量子垒层，inn层54与多量子阱层中的量子阱层接触，inn层54的in组分含量大于等于量子阱层的in组分含量，量子阱层的in组分含量为0.1-0.4，其中量子阱层的组分可以通过in
x
ga
1-x
n来表示，则x为0.1-0.4，本实施例具体为0.4，也即inn层54的in组分含量大于等于0.4，在本实施例当中，inn层54的in组分含量为0.4。其中，所述的组分含量具体可以指该组分所占的相对摩尔比例。
40.在本实施例当中，多量子阱准备层的厚度为30-60nm，algan层51的厚度为3-6nm，inalgan层52的厚度为5-20nm，ingan53的厚度为5-20nm，inn层54的厚度为3-6nm。
41.另一方面，本实施例还提出一种绿光发光二极管的外延片的制备方法，用于制备本实施例当中的绿光发光二极管的外延片，所述制备方法具体包括：
42.步骤201：提供一外延生长用的衬底，控制反应室温度为1100℃温度，在h2气氛中对衬底表面进行热处理，热处理时间约为5min，热处理目的主要是去除衬底内应力，热处理之后对衬底进行清洁。
43.其中，衬底可以为蓝宝石衬底或者si衬底。
44.步骤202：在衬底之上外延生长gan低温缓冲层；
45.示例性地，gan低温缓冲层的反应室温度约为550℃，反应室压力为200～400torr；gan低温缓冲层的厚度可以为10～30nm。
46.步骤203：在gan低温缓冲层之上外延生长不掺杂的gan层。
47.示例性地，不掺杂的gan层的控制反应室温度为1000～1150℃，反应室压力为200～400torr；不掺杂的gan层的厚度可以为1～3μm；
48.步骤204：在不掺杂的gan层之上外延生长n型掺杂gan层。
49.示例性地，n型掺杂gan层的控制反应室温度为1000～1150℃，压力为200～400torr；n型掺杂gan层为掺杂si的gan层，其厚度约为1～3μm；
50.步骤205：在n型掺杂gan层之上，依次外延生长algan层、inalgan层、ingan层和inn层，以生长得到多量子阱准备层。
51.其中，多量子阱准备层的具体生长过程如下：
52.首先，控制反应室温度为1000℃，反应室压力为100-300torr，通入al源和ga源，生长algan层；
53.其次，保持压力不变，打开入in源，控制al源通入量渐变减少为0，控制in源通入量由0渐变增加，持续通入ga源，其中反应室温度渐变降低至800℃，生长ingan层；
54.再者，保持反应室压力不变，温度控制在800℃不变，持续通入in源和ga源，生长ingan层；
55.最后，保持反应室压力和温度不变，关闭ga源，持续通入in源，生长inn层，最终生长得到多量子阱准备层。
56.步骤206：在多量子阱准备层之上周期性的交替生长量子阱层和量子垒层，以外延
生长多量子阱层。
57.可选地，多量子阱层中量子阱层的周期可以为3～15层，生长压力为100～500torr；每个周期量子阱层的厚度约为2～4nm，量子阱层的生长温度为700～800℃；每个周期量子垒层的厚度为5～15nm，生长温度为850～950℃，最后一个量子垒层的生长温度为800～950℃。
58.步骤207：在多量子阱层之上外延生长电子阻挡层，生长温度为800～1000℃，生长压力为100～300torr；
59.示例性地，所述电子阻挡层可以是gan和algan的超晶格结构；
60.步骤208：在电子阻挡层之上外延生长p型gan层。其生长温度约为800～1000℃，生长压力为100～300torr；
61.示例性地，所述p型gan层厚度约为50～300nm。
62.综上所述，本实施例当中的多量子阱准备层为由4子层复合而成的复合层，具体如下：
63.第一子层为高温algan薄层，由于al原子晶格常数较小，高温有利于提升外延层的晶格质量，在准备层第一层生长一层高温algan薄层，主要是为了阻挡从底层延伸的缺陷，避免过多缺陷延伸至量子阱中，减少多量子阱内缺陷，从而增加in组分的分布均匀性；
64.第二子层为温度渐变降低的inalgan层，其中in组分由0渐变升高，al组分渐变降低。这一层是第一子层与第三第四子层的衔接层，温度的渐变和组分的渐变主要是为了前后晶格更加匹配，减少应力的产生，减少极化效应带来的in组分分布不均匀的问题；
65.第三子层为ingan层，由于量子阱层为高in组分的ingan层，所以这一层引入了in原子，是为了和量子阱层晶格更匹配，从而弛豫了绿光多量子阱层的应力，减少了量子阱内极化；
66.最后一个子层为inn层，和多量子阱衔接，提供富in环境，可以增加高in组分量子阱中in组分的并入，减小量子阱极化场，减小量子阱内的能带倾斜，从而增强载流子在阱层中的注入和扩散，从而使得量子阱发光区域均匀化。
67.实施例二
68.本发明实施例二也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
69.algan层的生长温度为1000℃，ingan层和inn层的生长温度为850℃，inalgan层的生长温度从1000℃渐变降低至850℃，algan层与ingan层的生长温度差为150℃。
70.实施例三
71.本发明实施例三也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
72.algan层的生长温度为1000℃，ingan层和inn层的生长温度为900℃，inalgan层的生长温度从1000℃渐变降低至900℃，algan层与ingan层的生长温度差为100℃。
73.实施例四
74.本发明实施例四也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当
中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
75.algan层的生长温度为1030℃，ingan层和inn层的生长温度为800℃，inalgan层的生长温度从1030℃渐变降低至800℃，algan层与ingan层的生长温度差为230℃。
76.实施例五
77.本发明实施例五也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
78.ingan层的in组分含量为0.15，algan层的al组分含量为0.2，inalgan层的al组分含量由0.2渐变降低至0、in组分含量由0渐变升高至0.15。
79.实施例六
80.本发明实施例六也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
81.ingan层的in组分含量为0.1，algan层的al组分含量为0.1，inalgan层的al组分含量由0.1渐变降低至0、in组分含量由0渐变升高至0.1。
82.实施例七
83.本发明实施例七也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
84.量子阱层的in组分含量为0.2，inn层的in组分含量为0.3。
85.实施例八
86.本发明实施例八也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
87.量子阱层的in组分含量为0.4，inn层的in组分含量为0.6。
88.对比例一
89.其中，本发明对比例一也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
90.多量子阱准备层的algan层、inalgan层、ingan层和inn层统一采用1000℃恒温生长。
91.对比例二
92.其中，本发明对比例二也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
93.inalgan层的in组分含量恒定为0.1，inalgan层的al组分含量恒定为0.2。
94.对比例三
95.其中，本发明对比例三也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实
施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
96.inn层的in组分含量为0.2，量子阱层的in组分含量为0.4。
97.对比例四
98.其中，本发明对比例四也提出一种绿光发光二极管的外延片及其制备方法，本实施例当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法与实施例一当中的绿光发光二极管的外延片及其制备方法的不同之处在于：
99.对比例四当中的绿光发光二极管的外延片为传统绿光发光二极管的外延片，其多量子阱层直接外延生长于n型层上，中间不插入多量子阱准备层。
100.请参阅下表1，所示为本发明上述实施例一～八及对比例一～四对应的参数。
101.表1
102.[0103][0104]
上表1中，
“→”
代表变化，例如0
→
0.2代表inalgan层的in组分含量从0渐变升高至0.2。
[0105]
在实际应用当中，分别采用本发明上述实施例一～八、及对照例一～四所对应的制备方法及参数制备得到对应的绿光发光二极管，并对各实例制备得到的绿光发光二极管进行发光波长均匀性测试，测试数据如下表2所示。需要说明的是，为了保证验证结果的可靠性，本发明上述实施例一～八、及对照例一～四在对应制备发光二极管时除上述参数不同以外、其它都应当相同，即其他层的制备工艺及参数都应当保持一致。
[0106]
表2：
[0107][0108]
结合上述表1和表2的数据可以明显看出，本发明通过在生长多量子阱之前先生长一层做特殊结构设计的多量子阱准备层，成功减少了量子阱中缺陷，并使得底层与量子阱的晶格更加匹配，释放了绿光多量子阱层的应力，而且提供了富in环境，增加了绿光in组分的并入，减少了量子阱内的极化效应，从而减少了in的团簇现象，使得in组分分布更均匀，发光区域更均匀，最终使发光波长均匀性得到显著提升。
[0109]
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。