提高内量子效率的发光二极管外延片制备方法及外延片与流程

1.本公开涉及发光二极管制作领域，特别涉及提高内量子效率的发光二极管外延片制备方法及外延片。


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gan垒层。
4.多量子阱层中，由于ingan阱层中in原子相对氮化镓晶胞的可溶性较低，ingan阱层在生长过程中容易出现in团簇甚至金属in析出等缺陷。同时ingan阱层与gan垒层之间的晶格失配与热失配也会使得多量子阱层内部存在极化电场，极化电场会导致电子与空穴的波函数分离并因此降低电子与空穴的复合效率，缺陷会捕获电子或空穴导致复合发光的电子与空穴的数量降低，使得多量子阱层的内量子效率较低。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供了提高内量子效率的发光二极管外延片制备方法及外延片，能够提高发光二极管外延片的内量子效率。所述技术方案如下：
6.本公开实施例提供了一种提高内量子效率的发光二极管外延片的制备方法，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gan垒层与ingan阱层；
10.在所述多量子阱层上生长p型gan层；
11.生长所述ingan阱层，包括：
12.向反应腔通入流量线性增加至第一铟源阈值的铟源与流量由第一镓源阈值线性降低至第二镓源阈值的镓源，以生长所述ingan阱层的第一阶段；
13.通入流量为所述第一铟源阈值的铟源与流量为所述第二镓源阈值的镓源，以生长所述ingan阱层的第二阶段；
14.通入流量由所述第一铟源阈值线性增加至第二铟源阈值的所述铟源与流量为所述第二镓源阈值的镓源，以生长所述ingan阱层的第三阶段；
15.通入流量为所述第二铟源阈值的所述铟源与流量由所述第二镓源阈值线性增加至所述第一镓源阈值的镓源，以生长所述ingan阱层的第四阶段；
16.通入流量由所述第二铟源阈值线性降低至所述第一铟源阈值的所述铟源与流量由所述第一镓源阈值线性降低至所述第二镓源阈值的镓源，以生长所述ingan阱层的第五阶段；
17.通入流量由所述第一铟源阈值线性降低至零的所述铟源与流量由所述第二镓源阈值线性增加至所述第一镓源阈值的镓源，以生长所述ingan阱层的第六阶段。
18.可选地，所述第一阶段的时长、所述第二阶段的时长、所述第三阶段的时长、所述第四阶段的时长、所述第五阶段的时长与所述第六阶段的时长均相等。
19.可选地，所述第一阶段的时长为20～40秒。
20.可选地，所述第一阶段的流量变化速率的绝对值、所述第二阶段的流量变化速率的绝对值、所述第三阶段的流量变化速率的绝对值、所述第四阶段的流量变化速率的绝对值、所述第五阶段的流量变化速率的绝对值与所述第六阶段的流量变化速率的绝对值均相等，所述流量变化速率为流量随时间变化的速率。
21.可选地，所述第一阶段的镓源流量变化速率为8～20mol/秒，所述第一阶段的铟源流量变化速率为15～75mol/秒。
22.可选地，所述第一铟源阈值与所述第二铟源阈值之差为1000～3000sccm。
23.可选地，所述第一铟源阈值为1000～2000sccm，所述第二铟源阈值为2000～4000sccm。
24.可选地，所述第二镓源阈值与所述第一镓源阈值之差为100～600sccm。
25.可选地，所述第一镓源阈值为500～1000sccm，所述第二镓源阈值为200～400sccm。
26.本公开实施例提供了一种提高内量子效率的发光二极管外延片，所述提高内量子效率的发光二极管外延片采用如前所述的提高内量子效率的发光二极管外延片的制备方法实现。
27.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
28.在生长ingan阱层时，控制ingan阱层的生长包括六个阶段。ingan阱层的第一阶段的生长过程中，使铟源流量线性增加至第一铟源阈值，镓源则由第一镓源阈值线性降低至第二镓源阈值，可以在短时间且较薄的ingan阱层的厚度内形成in源富集区，加强富in量子点而强局域化的激子发光，提高激子局域化效应因此提高多量子阱层的出光效率。再维持铟源与镓源的流量不变进行ingan阱层第二阶段生长，起到过渡与提高晶体质量的作用。第三阶段同时使铟源不变而镓源线性增加，第四阶段铟源与流量均进行增加，在ingan阱层较为中部的位置进一步形成富集区，进一步提高发光效率；且第四阶段中由于镓源的增加而铟源流量不变，第四阶段形成的ingan材料中in的富集程度低于第三阶段形成的ingan材料中in的富集程度。第五阶段中铟源与镓源均线性减小，可以降低ingan材料中的in含量同时保证得到的ingan材料的质量，第六阶段中in的富集进一步减少，则可以使ingan材料的晶格更接近于gan垒层的晶格并且降低in析出并渗入gan垒层的可能性，提高得到的gan垒层的晶体质量以提高多量子阱层整体的质量。且ingan阱层中六个阶段的in的富集程度的线性变化，也可以使得ingan阱层内部的应力可以相互抵消，一定程度可以缓解极化电场，提高电子-空穴波函数的交叠区域，提高载流子的有效复合机率，提高发光二极管的内量子效率。
附图说明
29.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。
30.图1是本公开实施例提供的一种提高内量子效率的发光二极管外延片的制备方法流程图；
31.图2是本公开实施例提供的一种提高内量子效率的发光二极管外延片的结构示意图；
32.图3是本公开实施例提供的另一种提高内量子效率的发光二极管外延片的制备方法流程图；
33.图4是本公开实施例提供的另一种提高内量子效率的发光二极管外延片的结构示意图。
具体实施方式
34.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。
35.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。
36.图1是本公开实施例提供的一种提高内量子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内量子效率的发光二极管外延片的制备方法，制备方法包括：
37.s101：提供一衬底。
38.s102：在衬底上生长n型gan层。
39.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gan垒层与ingan阱层。生长ingan阱层，包括：向反应腔通入流量线性增加至第一铟源阈值的铟源与流量由第一镓源阈值线性降低至第二镓源阈值的镓源，以生长ingan阱层的第一阶段；通入流量为第一铟源阈值的铟源与流量为第二镓源阈值的镓源，以生长ingan阱层的第二阶段；通入流量由第一铟源阈值线性增加至第二铟源阈值的铟源与流量为第二镓源阈值的镓源，以生长ingan阱层的第三阶段；通入流量为第二铟源阈值的铟源与流量由第二镓源阈值线性增加至第一镓源阈值的镓源，以生长ingan阱层的第四阶段；通入流量由第二铟源阈值线性降低至第一铟源阈值的铟源与流量由第一镓源阈值线性降低至第二镓源阈值的镓源，以生长
ingan阱层的第五阶段；通入流量由第一铟源阈值线性降低至零的铟源与流量由第二镓源阈值线性增加至第一镓源阈值的镓源，以生长ingan阱层的第六阶段。
40.s104：在多量子阱层上生长p型gan层。
41.生长ingan阱层，包括：
42.在生长ingan阱层时，控制ingan阱层的生长包括六个阶段。ingan阱层的第一阶段的生长过程中，使铟源流量线性增加至第一铟源阈值，镓源则由第一镓源阈值线性降低至第二镓源阈值，可以在短时间且较薄的ingan阱层的厚度内形成in源富集区，加强富in量子点而强局域化的激子发光，提高激子局域化效应因此提高多量子阱层的出光效率。再维持铟源与镓源的流量不变进行ingan阱层第二阶段生长，起到过渡与提高晶体质量的作用。第三阶段同时使铟源不变而镓源线性增加，第四阶段铟源与流量均进行增加，在ingan阱层较为中部的位置进一步形成富集区，进一步提高发光效率；且第四阶段中由于镓源的增加而铟源流量不变，第四阶段形成的ingan材料中in的富集程度低于第三阶段形成的ingan材料中in的富集程度。第五阶段中铟源与镓源均线性减小，可以降低ingan材料中的in含量同时保证得到的ingan材料的质量，第六阶段中in的富集进一步减少，则可以使ingan材料的晶格更接近于gan垒层的晶格并且降低in析出并渗入gan垒层的可能性，提高得到的gan垒层的晶体质量以提高多量子阱层整体的质量。且ingan阱层中六个阶段的in的富集程度的线性变化，可以在ingan阱层中形成in含量对称的结构，可以使得ingan阱层内部的应力可以相互抵消，一定程度可以缓解极化电场，提高电子-空穴波函数的交叠区域，提高载流子的有效复合机率，提高发光二极管的内量子效率。
43.需要说明的是，本公开所提供的实施例中，ingan阱层中流量的变化为在对应的生长阶段中，由某一流量阈值变化为另一流量阈值。例如第一阶段中，“向反应腔通入流量线性增加至第一铟源阈值的铟源与流量由第一镓源阈值线性降低至第二镓源阈值的镓源”，为“在第一阶段的生长过程中，铟源的流量线性增加至第一铟源阈值，镓源的流量从第一镓源阈值降低至第二镓源阈值，且铟源的流量增加到第一铟源阈值二镓源的流量变化到第二镓源阈值时，第一阶段的生长完成”。流量存在变化的第三阶段～第六阶段同理。需要说明的是，对于流量没有发生变化的第二阶段，则为铟源与镓源分别为某一具体流量的情况下，生长一段时间。
44.可选地，第一阶段的时长、第二阶段的时长、第三阶段的时长、第四阶段的时长、第五阶段的时长与第六阶段的时长均相等。
45.ingan阱层每个阶段对应的时长都相等，可以便于ingan阱层的制备。同时每个阶段的时长都相等，可以保证in的富集区的稳定形成与控制。
46.示例性地，第一阶段的时长为20～40s。
47.第一阶段的时长在以上范围内，可以形成质量较好的ingan材料，同时也可以保证反应腔的环境有充足的时间变得更稳定，以保证后续生长的ingan材料的质量。
48.需要说明的是，第二～六阶段每个阶段所对应的时长均可在以上范围内。在本公开所提供的其他实现方式中，将每个阶段对应的时长单独对应，也可以设置为第二阶段的时长最长，第二阶段的时长大于其他阶段的时长。或者也可以将第二、六阶段的时长设置为大于其他阶段所对应的时长。
49.可选地，第一阶段的流量变化速率的绝对值、第二阶段的流量变化速率的绝对值、
第三阶段的流量变化速率的绝对值、第四阶段的流量变化速率的绝对值、第五阶段的流量变化速率的绝对值与第六阶段的流量变化速率的绝对值均相等，流量变化速率为流量随时间变化的速率。
50.第一阶段～第六阶段中，每个阶段中流量变化的速率的绝对值均相等，可以有效降低ingan阱层的内部极化电场，且可以保证得到的ingan阱层的质量也较好。
51.示例性地，铟源的流量变化速率可以与镓源的流量变化速率相等。可以提高出光效率的同时便于外延片的制备。
52.可选地，第一阶段的镓源流量变化速率为8～20mol/秒，第一阶段的铟源流量变化速率为15～75mol/秒。
53.第一阶段的流量变化速率在以上范围内，可以快速形成in的富集区，同时也可以保证得到的ingan材料中in的稳定渗入，提高得到的ingan阱层的质量。
54.需要说明的是，在本公开所提供的其他实现方式中，铟源的流量变化速率与镓源的流量变化速率也可以不相等。但ingan阱层的每个生长阶段中，铟源的流量变化速率的绝对值均相等，镓源的流量变化速率的绝对值均相等。
55.可选地，第一铟源阈值与第二铟源阈值之差为1000～3000sccm。
56.第一铟源阈值与第二铟源阈值之差在以上范围内，可以保证ingan阱层中in含量的稳定变化，提高in原子在ingan阱层的内部的稳定性，以保证最终得到的ingan阱层的晶体质量。
57.示例性地，第一铟源阈值为1000～2000sccm，第二铟源阈值为2000～4000sccm。
58.第一铟源阈值与第二铟源阈值之差在以上范围内，可以保证ingan阱层中in含量的稳定变化，提高in原子在ingan阱层的内部的稳定性，以保证最终得到的ingan阱层的晶体质量。
59.可选地，第二镓源阈值与第一镓源阈值之差为100～600sccm。
60.第一镓源阈值与第二镓源阈值之差在以上范围内，可以保证ingan阱层的gan晶胞中稳定融入in原子，以保证最终得到的ingan阱层的晶体质量。
61.可选地，第一镓源阈值为500～1000sccm，第二镓源阈值为200～400sccm。得到的ingan阱层的质量较好。
62.示例性地，ingan阱层的生长过程中，通入的氨气、载气的流量分别为150sccm～200sccm与100sccm～150sccm。可以保证得到的ingan阱层的质量较好。
63.可选地，ingan阱层的生长温度与生长压力分别为700～830℃与100～300torr；gan垒层的生长温度为800～960℃、压力为100～300torr。可以提高得到的多量子阱层的质量。
64.需要说明的是，在本公开所提供的实现方式中，多量子阱层进行生长时，多量子阱层的压力、生长转速均为不变，可以保证多量子阱层的质量的同时控制多量子阱层的制备成本。ingan阱层在生长过程中，ingan阱层的压力、温度与生长转速均不变。可以保证得到的ingan阱层的质量较好。
65.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内量子效率的发光二极管外延片，提高内量子效率的发光二极管外延片采用前所述的提高内量子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
的一种提高内量子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，提高内量子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gan垒层32。
66.在生长ingan阱层31时，控制ingan阱层31的生长包括六个阶段。ingan阱层31的第一阶段的生长过程中，使铟源流量线性增加至第一铟源阈值，镓源则由第一镓源阈值线性降低至第二镓源阈值，可以在短时间且较薄的ingan阱层31的厚度内形成in源富集区，加强富in量子点而强局域化的激子发光，提高激子局域化效应因此提高多量子阱层的出光效率。再维持铟源与镓源的流量不变进行ingan阱层31第二阶段生长，起到过渡与提高晶体质量的作用。第三阶段同时使铟源不变而镓源线性增加，第四阶段铟源与流量均进行增加，在ingan阱层31较为中部的位置进一步形成富集区，进一步提高发光效率；且第四阶段中由于镓源的增加而铟源流量不变，第四阶段形成的ingan材料中in的富集程度低于第三阶段形成的ingan材料中in的富集程度。第五阶段中铟源与镓源均线性减小，可以降低ingan材料中的in含量同时保证得到的ingan材料的质量，第六阶段中in的富集进一步减少，则可以使ingan材料的晶格更接近于gan垒层32的晶格并且降低in析出并渗入gan垒层32的可能性，提高得到的gan垒层32的晶体质量以提高多量子阱层整体的质量。且ingan阱层31中六个阶段的in的富集程度的线性变化，可以在ingan阱层31中形成in含量对称的结构，可以使得ingan阱层31内部的应力可以相互抵消，一定程度可以缓解极化电场，提高电子-空穴波函数的交叠区域，提高载流子的有效复合机率，提高发光二极管的内量子效率。
67.示例性地，多量子阱层3的厚度为16～80nm。可以保证发光二极管的出光效率。
68.可选地，每个ingan阱层31的总厚度为2-5nm，每个gan垒层32的总厚度为8～20nm。可以保证多量子阱层3的稳定发光。
69.图3是本公开实施例提供的另一种提高内量子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：
70.s201：提供一衬底。
71.其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。
72.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。
73.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。
74.s202：在衬底上生长缓冲层。
75.缓冲层可为aln缓冲层。aln层可通过磁控溅射得到。
76.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。
77.s203：在缓冲层上生长非掺杂gan层。
78.非掺杂gan层的厚度可为0.5～3um。
79.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。
80.s204：在非掺杂gan层上生长n型gan层。
81.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。
82.可选地，n型gan层的厚度可为0.5～3um。
83.s205：在n型gan层上生长多量子阱层。
84.需要说明的是，步骤s205中多量子阱层的生长条件及参数可参考图1中步骤s103中多量子阱层的生长条件及参数，此处不再赘述。
85.s206：在多量子阱层上生长algan电子阻挡层。
86.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。
87.s207：在algan电子阻挡层上生长p型gan层。
88.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℃。
89.s208：在p型gan层上生长p型接触层。
90.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℃。
91.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。
92.执行完步骤s208后的发光二极管外延片的结构可参见图4。
93.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。
94.图4是本公开实施例提供的另一种提高内量子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内量子效率的发光二极管外延片，提高内量子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gan垒层32。
95.需要说明的是，图4中ingan阱层31与gan垒层32的结构分别与图2中所示的ingan阱层31与gan垒层32的结构相同，此处不再赘述。
96.可选地，衬底1可为蓝宝石衬底1。易于制作与获取。
97.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。
98.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。
99.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。
100.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。
101.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
19
cm-3
。n型gan层2整体的质量较好。
102.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。
103.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。
104.可选地，多量子阱层3包括交替层叠的ingan阱层与gangan垒层。可以保证发光二极管的稳定发光。
105.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。
106.以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。