提高发光与制备效率的发光二极管外延片及其制备方法与流程

1.本公开涉及发光二极管制作领域，特别涉及提高发光与制备效率的发光二极管外延片及其制备方法。


背景技术：

2.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发光二极管不断追求的目标。
3.相关技术中，发光二极管的外延片通常包括衬底及在衬底上依次生长的n型gan层、多量子阱层与p型gan层。相关技术中，多量子阱层包括交替层叠的ingan阱层与垒层。
4.多量子阱层中，垒层与ingan阱层若采用较高的压力与温度进行快速生长以提高发光二极管外延片的发光效率，快速生长得到的垒层与ingan阱层中均会存在较多的缺缺陷，ingan阱层中由于in原子分解进入垒层中也会导致垒层中缺陷增加。缺陷会捕获流经多量子阱层的电子以使得在ingan阱层中进行复合发光的电子数量减少，降低多量子阱层的发光效率，难以同时保证发光二极管外延片的制备效率与发光效率。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供了提高发光与制备效率的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发光效率与制备效率。所述技术方案如下：
6.本公开实施例提供了一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片，所述制备方法包括：
7.提供一衬底；
8.在所述衬底上生长n型gan层；
9.在所述n型gan层生长多量子阱层，所述多量子阱层包括交替层叠的垒层与ingan阱层，所述垒层的材料为镓氮化合物；
10.在所述多量子阱层上生长p型gan层；
11.生长所述垒层，包括：
12.向反应腔通入第一有机金属源与第一反应气体生长第一子层，所述第一有机金属源包括三甲基镓，所述第一反应气体包括氢气、氨气与氮气；
13.向所述反应腔通入第二有机金属源与第二反应气体以在所述第一子层上生长第二子层，所述第二有机金属源包括三乙基镓，所述第一子层的材料与所述第二子层的材料相同。
14.可选地，所述氢气的体积为所述第一反应气体体积的5％～20％。
15.可选地，所述第二反应气体包括氮气与氨气，所述第二反应气体中的氮气体积占所述第二反应气体的总体积的40～60％。
16.可选地，所述第一子层的厚度大于所述第二子层的厚度。
17.可选地，所述第一子层的厚度为1～5nm，所述第二子层的厚度为0.5～1nm。
18.可选地，所述第一子层掺有si元素。
19.可选地，所述第一子层中si元素的掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
18
cm-3
。
20.可选地，所述多量子阱层包括交替层叠的垒层与ingan阱层及每个所述垒层与所述ingan阱层之间的inn牺牲层。
21.可选地，所述牺牲层的厚度为0.1～2nm。
22.本公开实施例提供了一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片，所述提高发光与制备效率的发光二极管外延片采用如前所述的提高发光与制备效率的发光二极管外延片的制备方法实现。
23.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
24.生长发光二极管外延片的多量子阱层中的垒层时，向反应腔通入第一有机金属源与第一反应气体生长第一子层，第一有机金属源包括三甲基镓，第一反应气体包括氢气、氨气与氮气。在ingan阱层上先如三甲基镓与包括氢气、氨气与氮气的第一反应气体，三甲基镓与第一反应气体中的氨气配合可以促进材料为镓氮化合物的第一子层的快速生长，得到的第一子层的生长速度较快，且可以保证第一子层具有较好的形貌以及光学性能，减少生长一定厚度的第一子层所需的生长时间以一定程度上缩短垒层所需的制备时长；而第一反应气体中的氢气可以抑制in原子渗入第一子层中，则可以保证第一子层的成形速度的同时提高得到的第一子层的晶体质量。长完质量较好的第一子层之后通入三乙基镓与第二反应气体在第一子层上生长第二子层，三乙基镓可以使得到的第二子层具有更好的晶体质量与电学性能，使得最终得到的垒层的晶体质量提高而制备时间缩短，可以有效提高最终得到的发光二极管外延片的发光效率与制备效率。
附图说明
25.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。
26.图1是本公开实施例提供的一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的制备方法流程图；
27.图2是本公开实施例提供的一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的结构示意图；
28.图3是本公开实施例提供的另一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的制备方法流程图；
29.图4是本公开实施例提供的另一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的结构示意图。
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.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
32.图1是本公开实施例提供的一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的制备方法流程图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的制备方法，制备方法包括：
33.s101：提供一衬底。
34.s102：在衬底上生长n型gan层。
35.s103：在n型gan层生长多量子阱层，多量子阱层包括交替层叠的垒层与ingan阱层，垒层的材料为镓氮化合物。生长垒层，包括：向反应腔通入第一有机金属源与第一反应气体生长第一子层，第一有机金属源包括三甲基镓，第一反应气体包括氢气、氨气与氮气；向反应腔通入第二有机金属源与第二反应气体以在第一子层上生长第二子层，第二有机金属源包括三乙基镓，第一子层的材料与第二子层的材料相同。
36.s104：在多量子阱层上生长p型gan层。
37.生长发光二极管外延片的多量子阱层中的垒层时，向反应腔通入第一有机金属源与第一反应气体生长第一子层，第一有机金属源包括三甲基镓，第一反应气体包括氢气、氨气与氮气。在ingan阱层上先如三甲基镓与包括氢气、氨气与氮气的第一反应气体，三甲基镓与第一反应气体中的氨气配合可以促进材料为镓氮化合物的第一子层的快速生长，得到的第一子层的生长速度较快，且可以保证第一子层具有较好的形貌以及光学性能，减少生长一定厚度的第一子层所需的生长时间以一定程度上缩短垒层所需的制备时长；而第一反应气体中的氢气可以抑制in原子渗入第一子层中，则可以保证第一子层的成形速度的同时提高得到的第一子层的晶体质量。长完质量较好的第一子层之后通入三乙基镓与第二反应气体在第一子层上生长第二子层，三乙基镓可以使得到的第二子层具有更好的晶体质量与电学性能，使得最终得到的垒层的晶体质量提高而制备时间缩短，可以有效提高最终得到的发光二极管外延片的发光效率与制备效率。
38.需要说明的是，通入三甲基镓得到的第一子层的形貌及光学性能较好，是由于三甲基镓ga(ch3)3，三乙基镓ga(c2h5)3两者之间配位基不同，化学分子式不同，在相同的温度和相同的压力下，两者之间的饱和蒸汽压不同，化学分子式越小tmga更容易蒸发，所以三甲基镓生长速率更快。三甲基镓的生长速率是三乙基镓的30～35倍。所以采用tmga生长gan时，gan生长速率更大，可以在短时间内更快铺平量子阱ingan层，第一子层的形貌为第一子层的表面状态，较为平整的第一子层的表面状态可以提高后续生长的第二子层的质量并有利于光线的出射；通入三乙基镓得到的第二子层的电学性能及晶体质量较好是由于三乙基镓ga(c2h5)3具有较大配位基的ⅲ族有机源，乙基基团表面束缚较弱，它在反应生长碳之前
便可脱附，复杂的基团能够在表面分解，在脱附分子中产生c双键，并且在表面留下h原子而不产生含c的物质，所以采用三乙基镓生长的gan/algan材料含碳杂质低，从而缺陷密度低可以提供高晶体质量的材料，晶体质量较好的第二子层可以保证电子的稳定传递。本公开中所提供的镓氮化合物为包含有镓元素与氮元素的化合物。
39.在本公开所提供的一种实现方式中，垒层的材料可为氮化镓或者氮化铝镓。垒层的材料为氮化铝镓时，可以起到扩展电流的效果。
40.可选地，步骤s103中，垒层的生长温度与生长压力可分别为830～900摄氏度与200～500torr。可以保证得到的垒层的质量较好，也可以保证ingan阱层中的in原子不会有太多析出，有利于提高多量子阱层的整体质量。
41.示例性地，生长第一子层通入的三甲基镓的流量与生长第二子层通入的三乙基镓的流量相同。可以保证得到的第一子层与第二子层的质量较好也不会过多增加发光二极管外延片的制备成本。
42.可选地，生长第一子层通入的三甲基镓的流量为35～60sccm，生长第二子层通入的三乙基镓的流量为1300～1800sccm。可以保证得到的第一子层与第二子层的质量较好也不会过多增加发光二极管外延片的制备成本。
43.可选地，第一反应气体中，氢气的体积为第一反应气体体积的5％～20％。
44.氢气的体积与第一反应气体的体积之比在以上范围内，可以有效抑制in原子渗入，提高第一子层的质量，同时也不会使第一子层的制备成本过高。
45.示例性地，第二反应气体包括氮气与氨气，第二反应气体中的氮气体积占第二反应气体的总体积的40～60％。
46.第二反应气体中氮气的占比较高，可以促进第二子层的横向层铺和生长，也可以降低氨气与有机金属源的逆反应，提高第二子层的生长效率并保证生长质量。
47.可选地，第一子层的厚度大于第二子层的厚度。
48.第一子层的厚度大于第二子层的厚度，可以实现垒层的快速生长，并保证下一周期的ingan阱层可以在晶体质量较好的第二子层上生长，提高多量子阱层整体的质量，并保证多量子阱层的制备效率较高。
49.可选地，第一子层的厚度为1～5nm，第二子层的厚度为0.5～1nm。
50.第一子层与第二子层的厚度分别在以上范围内，可以保证得到的垒层的质量较好，同时也可以合理控制垒层的制备成本。
51.示例性地，第一子层掺有si元素。
52.第一子层掺有si元素，可以有效屏蔽由于失配应力导致的压电场，缓解qcse效应的不良影响。因此gan垒层掺si可以有效提高ingan/gan多量子阱的质量的作用。
53.可选地，第一子层中si元素的掺杂浓度为1
×
10
17
～1
×
10
18
cm-3
。可以保证第一子层的质量较好的同时，适量掺入si可以加强局域化效应，提高电子迁移率，辐射复合效率。
54.在本公开所提供的一种实现方式中，本公开实施例提供了一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片，提高发光与制备效率的发光二极管外延片采用前所述的提高发光与制备效率的发光二极管外延片的制备方法实现。为便于理解，此处可提供图2，图2是本公开实施例提供的一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的结构示意图，图2中发光二极管外延片可由图1中所示的制备方法得到，提高发光与制备效率的发光二极管外延片
包括依次层叠的n型gan层2、多量子阱层3与p型gan层4，多量子阱层3包括交替层叠的ingan阱层31与垒层32，垒层32包括依次层叠的第一子层321与第二子层322。
55.生长发光二极管外延片的多量子阱层3中的垒层32时，向反应腔通入第一有机金属源与第一反应气体生长第一子层321，第一有机金属源包括三甲基镓，第一反应气体包括氢气、氨气与氮气。在ingan阱层31上先如三甲基镓与包括氢气、氨气与氮气的第一反应气体，三甲基镓与第一反应气体中的氨气配合可以促进材料为镓氮化合物的第一子层321的快速生长，得到的第一子层321的生长速度较快，且可以保证第一子层321具有较好的形貌以及光学性能，减少生长一定厚度的第一子层321所需的生长时间以一定程度上缩短垒层32所需的制备时长；而第一反应气体中的氢气可以抑制in原子渗入第一子层321中，则可以保证第一子层321的成形速度的同时提高得到的第一子层321的晶体质量。长完质量较好的第一子层321之后通入三乙基镓与第二反应气体在第一子层321上生长第二子层322，三乙基镓可以使得到的第二子层322具有更好的晶体质量与电学性能，使得最终得到的垒层32的晶体质量提高而制备时间缩短，可以有效提高最终得到的发光二极管外延片的发光效率与制备效率。
56.示例性地，垒层32的厚度可为80～200埃。能够保证得到的垒层32的质量较好，同时也可以保证垒层32稳定通过光线。
57.可选地，ingan阱层31的厚度为2～3nm。可以保证多量子阱层稳定发光。
58.示例性地，第一子层321的厚度为1～5nm，第二子层322的厚度为0.5～1nm。
59.第一子层321与第二子层322的厚度分别在以上范围内，可以保证得到的垒层32的质量较好，同时也可以合理控制垒层32的制备成本。
60.图3是本公开实施例提供的另一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的制备方法流程图，参考图3可知，发光二极管外延片的制备方法还可包括：
61.s201：提供一衬底。
62.其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。
63.可选地，步骤s201还可包括：在氢气气氛下，处理衬底用于生长外延层的表面5～6min。
64.示例性地，处理衬底用于生长外延层的表面时，反应腔的温度可为1000～1100℃，反应腔的压力可为200～500torr。
65.s202：在衬底上生长缓冲层。
66.缓冲层可为aln缓冲层。aln层可通过磁控溅射得到。
67.示例性地，aln层的沉积温度可为400～800℃，溅射功率可为3000～5000w，压力可为2～20mtorr。得到的aln层的质量较好。
68.s203：在缓冲层上生长非掺杂gan层。
69.非掺杂gan层的厚度可为0.5～3um。
70.示例性地，非掺杂gan层的生长温度可为1000～1100℃，生长压力控制在100～300torr。得到的非掺杂gan层的质量较好。
71.s204：在非掺杂gan层上生长n型gan层。
72.可选地，n型gan层可为n型gan层，n型gan层的生长温度可为1000～1100℃，n型gan层的生长压力可为100～300torr。
73.可选地，n型gan层的厚度可为0.5～3um。
74.s205：在n型gan层上生长多量子阱层，多量子阱层包括交替层叠的垒层与ingan阱层及每个垒层与ingan阱层之间的inn牺牲层。
75.在ingan阱层与垒层之间增加inn牺牲层，inn牺牲层可以起到避免ingan阱层直接与较高温度生长的垒层之间的接触，降低ingan阱层中in原子析出的可能性以提高ingan阱层的质量，保证多量子阱层中载流子有充足的空间进行复合发光以提高多量子阱层的出光效率。
76.可选地，inn牺牲层的厚度为0.1～2nm。牺牲层的厚度在以上范围内，可以对ingan阱层起到良好的保护作用以保证得到的ingan阱层的质量较好，同时也不会过渡增加多量子阱层的制备成本。
77.示例性地，inn牺牲层的生长温度为700～800摄氏度，inn牺牲层的生长压力为200～500torr。可以保证inn牺牲层本身的质量较好，保证在inn牺牲层上生长的垒层的质量较好，同时inn牺牲层也可以对ingan阱层起到良好的保护作用。
78.需要说明的是，步骤s205中ingan阱层的生长条件及参数可参考图1中步骤s102中ingan阱层的生长条件及参数，步骤s205中垒层的生长条件及参数可参考图1中步骤s102中垒层的生长条件及参数，此处不再赘述。
79.s206：在多量子阱层上生长algan电子阻挡层。
80.algan电子阻挡层的生长温度可为800～1000℃，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。
81.s207：在algan电子阻挡层上生长p型gan层。
82.可选地，p型gan层的生长压力可为200～600torr，p型gan层的生长温度可为800～1000℃。
83.s208：在p型gan层上生长p型接触层。
84.可选地，p型接触层的生长压力可为200～600torr，p型接触层的生长温度可为800～1000℃。
85.需要说明的是，图3中所示的发光二极管外延片的制备方法，相对图1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。
86.执行完步骤s208后的发光二极管外延片的结构可参见图4。
87.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。
88.图4是本公开实施例提供的另一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片的结构示意图，参考图4可知，本公开实施例提供了一种提高发光与制备效率的发光二极管外延片，提高发光与制备效率的发光二极管外延片包括依次层叠的缓冲层6、非掺杂gan层7、n型gan层2、多量子阱层3、algan电子阻挡层8、p型gan层4与p型接触层5，多量子阱层3包括交替层叠的ingan阱层31与垒层32，且每个ingan阱层31与垒层32之间均插入有inn牺牲层33，垒
层32包括依次层叠的第一子层321与第二子层322。
89.需要说明的是，图4中ingan阱层31与垒层32的结构分别与图2中所示的ingan阱层31与垒层32的结构相同，此处不再赘述。
90.可选地，衬底1可为蓝宝石衬底1。易于制作与获取。
91.示例性地，缓冲层6可为aln缓冲层6。能够保证在低温缓冲层6上生长的外延薄膜的晶体质量。
92.可选地，缓冲层6的厚度可为10～30nm。能够减小n型gan层2与衬底1之间的晶格失配，保证外延层的生长质量。
93.示例性地，非掺杂gan层7的厚度可为1～3.5μm。此时得到的发光二极管外延片的质量较好。
94.在本公开提供的一种实现方式中，非掺杂gan层7的厚度还可为1μm。本公开对此不做限制。
95.可选地，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
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cm-3
。n型gan层2整体的质量较好。
96.示例性地，n型gan层2的厚度可为2～3μm。得到的n型gan层2整体的质量较好。
97.在本公开提供的一种实现方式中，n型gan层2的厚度可为2μm。本公开对此不做限制。
98.可选地，多量子阱层3包括交替层叠的ingan阱层与gan垒层。可以保证发光二极管的稳定发光。
99.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。
100.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。