发光二极管外延片及其制造方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。

背景技术：

发光二极管(led)是一种能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。氮化镓(gan)基led作为固态光源一经出现便以其高效率、长寿命、节能环保、体积小等优点被誉为继爱迪生发明电灯后人类照明史上的又一次革命，成为国际半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。并且，以gan、氮化铟镓(ingan)、氮化铝镓(algan)和氮化铟铝镓(algainn)为主的iii-ⅴ族氮化物材料具有连续可调的直接带宽为0.7～6.2ev，覆盖了从紫外光到红外光的光谱范围，是制造蓝光、绿光和白光发光器件的理想材料。

gan基led中，发光层通常采用gan/ingan的多量子阱结构，其中禁带宽度大的gan为势垒层，禁带宽度小的ingan为势阱层，ingan中in的含量通常为10～20％。以量子阱的形式将电子和空穴束缚在多量子阱的阱层内，以提高发光效率，发光波长由势阱层ingan的禁带宽度影响，发光亮度受势阱层和势垒层的晶体质量、界面清晰度、极化场强、阱垒高度差等因素的影响。

gan/ingan多量子阱结构中，由于ingan与gan之间存在晶格失配，一方面导致ingan的晶体质量差，产生大量缺陷，影响发光亮度；另一方面使得多量子阱内存在比较强的极化场强，导致电子和空穴相分离，影响发光亮度。如何减小多量子阱内gan和ingan之间的应力成为提高发光亮度的 关键。通常采用的措施是在生成多量子阱前加低in含量的ingan/gan多周期结构作为应力释放层，可以部分缓解多量子阱发光区内的应力，对提高亮度具有非常好的作用。但是由于ingan的生长条件非常苛刻，in元素需要在低温和氮气(n2)氛围下才能掺入到ingan，所以ingan的生长氛围通常为700～800℃的低温条件和n2氛围。因此无论是应力释放层还是多量子阱发光层，都是在低温和n2的氛围下生长。而众所周知，gan需要在1000～1200℃的高温以及h2氛围下才能生长出表面平整和晶体质量比较好的gan材料。而低温和n2的氛围通常生长的表面比较粗糙，所以该应力释放层虽然释放了多量子阱发光层的部分应力，但却成为了影响led亮度的副作用。

技术实现要素：

本发明公开了一种能够提高发光效率的led外延片及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种led外延片，包括衬底和依次形成在所述衬底上的缓冲层、n型层、应力释放层、多量子阱发光层、以及p型层，所述多量子阱发光层包括多量子阱、以及为所述多量子阱的生成提供表面的表面平整层。

可选地，表面平整层采用氮化镓材料。

可选地，所述多量子阱中的全部周期形成于所述表面平整层上。

可选地，所述表面平整层采用950℃～1100℃和氢气氛围生长。

可选地，所述多量子阱中的部分周期形成于所述表面平整层上。

可选地，所述多量子阱中的每n个周期形成于一个表面平整层上，其中，n为2～4的整数。

可选地，所述表面平整层采用850℃～950℃和氢气氛围生长。

本发明还提供一种led外延片的制造方法，所述方法包括：提供一衬底；在所述衬底上依次生长缓冲层、n型层、应力释放层、多量子阱发光层、 以及p型层，其中，所述多量子阱发光层包括多量子阱、以及为所述多量子阱的生成提供表面的表面平整层。

通过上述技术方案，在多量子阱发光层中生成表面平整层。表面平整层为多量子阱的生长提供了平整的表面，从而改善了多量子阱发光层中势垒层和势阱层之间的界面清晰度，提高了发光效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图；

图2是另一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图；

图3是又一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图；

图4是又一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图；

图5是又一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图；以及

图6是一示例性实施例提供的led外延片的制造方法的流程图。

附图标记说明

1衬底2缓冲层3本征层

4n型层5应力释放层6多量子阱发光层

601多量子阱602表面平整层7电子阻挡层

8p型层

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图。本发明提供一种led外延片，该led外延片包括衬底和依次形成在衬底上的缓冲层2、n型层4、应力释放层5、多量子阱发光层6、以及p型层8。其中，多量子阱发光层6包括多量子阱601、以及为多量子阱601的生成提供表面的表面平整层602。

通过上述技术方案，在多量子阱发光层中生成表面平整层。表面平整层为多量子阱的生长提供了平整的表面，从而改善了多量子阱发光层中势垒层和势阱层之间的界面清晰度，提高了发光效率。

其中，多量子阱和表面平整层可以以多种方式形成于多量子阱发光层中。以下通过实施例来具体说明。

(1)多量子阱中的全部周期形成于表面平整层上。

图2是另一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图。如图2所示，该led外延片包括衬底1和依次形成在衬底1上的缓冲层2、本征层3、n型层4、应力释放层5、多量子阱发光层6、电子阻挡层7、以及p型层8。其中，多量子阱601中的全部周期形成于表面平整层602上。也就是，表面平整层602为一层，形成于多量子阱发光层6靠近应力释放层5一侧的界面上。

该实施例中，表面平整层602可以采用gan材料，这里采用高温生长表面平整层602，本实施例中，可以采用950℃～1100℃(例如，1000℃)和氢气氛围生长，以获得平整的表面，为后续多量子阱601的生长提供平整的基础。表面平整层602的厚度可以为20nm～100nm，以不对应力释放层5的应力释放作用造成影响。这样能够使应力释放层5继续保持应力释放的作用， 同时又能够为多量子阱601的生长提供平整的表面，提高发光效率。

(2)多量子阱中的部分周期形成于表面平整层上。

图3是又一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图。如图3所示，表面平整层602为一层，多量子阱601的6个周期中，有两个周期形成于表面平整层602上。也就是，多量子阱发光层6中，先生成多量子阱601的4个周期，再生成表面平整层602，最后生成多量子阱601的两个周期。

图4是又一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图。如图4所示，表面平整层602可以包括两层，多量子阱601的6个周期中，有两个周期形成于上面的表面平整层602上，有3个周期形成于两个表面平整层602之间，有一个周期形成于下面的表面平整层602之下。

在图3和图4的实施例中，在多量子阱601的生长过程中插入表面平整层602，起到了使多量子阱601生长界面清晰的作用，提高了发光效率。表面平整层602可以采用gan材料。由于表面平整层602位于多量子阱601的中间，为避免对已生成的周期造成影响，每个表面平整层602采用低温进行生长，生长厚度可以为20nm～50nm，本实施例中可以采用850℃～950℃和氢气的氛围生长。

(3)多量子阱中的每n个周期形成于一个表面平整层上，n为2～4的整数。

图5是又一示例性实施例提供的led外延片的结构示意图。如图5所示，表面平整层602包括4层，多量子阱601的12个周期中，每3个周期形成于一个表面平整层602上。该实施例中，每个表面平整层602采用低温进行生长，生长厚度可以为20nm～50nm，本实施例中可以采用850℃～950℃和氢气的氛围生长。

可以理解的是，上述实施例可以进行组合。表面平整层602的层数越多，则发光效率越高，并且表面平整层602的层数通常在1-4之间。例如，可以 将(1)中的实施例和(2)中的实施例组合，在多量子阱发光层6靠近应力释放层5一侧的界面上生成一个表面平整层602(厚度可以为20nm～100nm)，并且在多量子阱601的中间也插入1～3个表面平整层602(厚度可以为20nm～50nm)。

本发明还提供一种led外延片的制造方法。图6是一示例性实施例提供的led外延片的制造方法的流程图。如图6所示，该方法包括以下步骤。

在步骤s11中，提供一衬底1。

例如，可以提供蓝宝石衬底1，并且可以采用湿法蚀刻或者干法蚀刻的方法对衬底1进行图形化。图形化衬底结构可以为周期性排列的尖锥状图形化衬底，尖锥状衬底的地面直径为2.0～2.7um，高度为1.5～1.7um，间距为0.3～1.0um，图形化衬底可以为蓝宝石。

可以理解的是，图1-图5所示的实施例中所采用的图形化衬底结构为周期性排列的尖锥状结构，本发明的衬底结构也可以包括表面突起的台阶状结构、柱状结构等。

在步骤s12中，在衬底1上依次生长缓冲层2、n型层4、应力释放层5、多量子阱发光层6、以及p型层8。其中，多量子阱发光层6包括多量子阱601、以及为多量子阱601的生成提供表面的表面平整层602。

在一实施例中，该步骤s12可以包括以下步骤。

在步骤s121中，在衬底1上生长缓冲层2。可以利用金属有机化合物气相沉积的方法外延生长gan缓冲层2，

在步骤s122中，在缓冲层2上生长本征层3。本征层3可以是高温生长的本征gan，本征gan的生长过程中通过对温度、压强、iii/v族化合物比例等工艺参数的控制实现gan在图形化衬底沟槽区域上方的横向外延生长。工艺参数的控制过程中温度范围可以在900℃至1300℃之间，可选1000℃至1100℃。压强范围在100mbar至800mbar之间，可选 200mbar～600mbar。v/iii比例在600～1500之间，可选900～1200之间。

在步骤s123中，在本征层3上生长n型层4。n型层4可以为硅掺杂n型gan，例如，可以在本征gan上生长硅掺杂n型gan。

在步骤s124中，在n型层4上生长应力释放层5。应力释放层5可以是多周期的ingan/gan的应力释放层。例如，可以在n型gan上生长多周期的ingan/gan的应力释放层。其中，gan的厚度为20nm～40nm，ingan的厚度为1nm～5nm，周期数为3～5个，ingan的in含量为1％～5％。采用低温下的n2氛围生长。另外，应力释放层5也可以为ingan/gan的超晶格结构，ingan和gan的周期厚度为2nm～5nm，ingan的in含量为1％～5％。由于后续多量子阱发光层6采用的是ingan/gan量子阱结构，ingan中的in含量为10％～15％，ingan与gan之间存在晶格适配，导致在ingan中存在大量的应力，而应力释放层5的作用便是提前释放后续多量子阱发光层6中的应力，承担一部分ingan与gan之间因晶格失配造成的应力，此外应力释放层5也可以包括单层的ingan厚膜结构。

在步骤s125中，在应力释放层上5上生长多量子阱发光层6。

在一个实施例中，可以先在应力释放层上5上先生长表面平整层602，再在表面平整层602上生长多量子阱601(例如，图2所示的实施例)。表面平整层602可以采用gan材料，厚度为20nm～100nm，生长温度为950℃～1100℃，h2氛围，生长压力为100mbar～300mbar的低压，生长速率0.05nm/s～0.5nm/s。表面平整层602为后续多量子阱601的生长提供平整的表面。跟应力释放层5相比，表面平整层602的生长温度比较高，压力比较低，生长速率比较慢，且采用h2氛围，因此，表面平整层602比应力释放层5具有更加平整的表面，能为多量子阱601提供更加平整的生长基础，从而提高多量子阱发光层6的发光效率。多量子阱601的结构可以为inxga1-xn/gan(0＜x＜1)。势阱层厚度为2nm～4nm，势垒层厚度为 8nm～15nm，多量子阱601的周期数为1～15个。该周期数为势阱层和势垒层交替出现的次数。多量子阱601的生长温度为700℃～850℃。

上述实施例是在多量子阱601的底部生长表面平整层602，在另一实施例中，还可以在多量子阱601的中间插入表面平整层602(例如，图3和图4所示的实施例)。例如，在多量子阱601的生长过程中每2～4个周期生长一个表面平整层602。该插入多量子阱601的表面平整层602采用gan材料，厚度可以为20nm～50nm，数目为1～3个，生长温度为850℃～950℃，h2氛围。

在又一实施例中，还可以在多量子阱601的底部和中间都插入表面平整层602(例如，图5所示的实施例)。

在步骤s125中，多量子阱发光层6上生长电子阻挡层7。电子阻挡层7可以为氮化铝镓电子阻挡层7。

在步骤s126中，在电子阻挡层7上生长p型层8。p型层8可以为重掺杂p型gan层。

在步骤s127中，对p型层8进行活化。活化的方式可以为在温度为600℃～800℃的真空或氮气氛围下进行快速热退火，也可以采用离子束进行轰击。

在步骤s128中，蚀刻出n型层4。可以采用感应耦合等离子机体(inductivelycoupledplasma，icp)蚀刻的方法将已经生长的部分区域蚀刻到n型层4，并在n型层4蚀刻出台阶状结构，台阶面高度为500nm～2000nm。

在步骤s129中，在p型层8上生长透明导电层。例如，可以在p型gan上采用蒸镀的方法生长透明导电层，透明导电层的厚度可以为1nm～1000nm，可选80nm～300nm，透明导电层可以为ito(氧化铟锡)，也可以为zno:al、ni/au、ni/pd/au、pt/au等合金中的一种。

在步骤s130中，制备金属p电极。可以采用蒸镀的方法在透明导电层上制备金属p电极，金属p电极可以为ti/au合金，也可以为ni、au、al、 ti、pd、pt、sn、cr中的任意两种或多种金属的合金。金属p电极的厚度为0.2um～1um。

在步骤s131中，制备金属n电极。可以采用蒸镀的方法在蚀刻出的n型层4的台阶表面和侧壁上制备金属n电极，金属n电极可以为ti/al合金，也可以为ti、al、au、pt、sn中的任意两种或多种金属的合金。金属n电极的厚度为0.2um～1um。

通过上述技术方案，在多量子阱发光层中生成表面平整层。表面平整层为多量子阱的生长提供了平整的表面，从而改善了多量子阱发光层中势垒层和势阱层之间的界面清晰度，提高了发光效率。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。