一种发光二极管的外延片及其制备方法与流程

文档序号:11203230
一种发光二极管的外延片及其制备方法与流程

本发明涉及光电子技术领域,特别涉及一种发光二极管的外延片及其制备方法。



背景技术:

发光二极管(英文:Light Emitting Diode,简称:LED)作为光电子产业中极具影响力的新产品,具有体积小、使用寿命长、颜色丰富多彩、能耗低等特点,广泛应用于照明、显示屏、信号灯、背光源、玩具等领域。LED的核心结构是外延片,外延片的制作对LED的光电特性有着较大的影响。

外延片通常包括缓冲层、u型GaN层、n型GaN层、发光层、电子阻挡层和p型GaN层,在制作成LED时,各层之间材料的存在差异,这使得各层之间的折射率也不同,由于折射率的不同,发光层发出的光可能会在发光层和电子阻挡层的界面上、电子阻挡层和p型GaN层的界面上以及p型GaN层和空气的界面上发生全反射,导致光线反射回外延片内部,而反射回的光线需要经过多次反射才可能重新从外延片的表面射出,光线在多次反射的过程中会被吸收,反射次数越多则被吸收的越多,从而使得LED的出光率下降,亮度降低。

为了提高发光二极管的出光率,通常会对电子阻挡层进行粗化处理,以使电子阻挡层的表面粗糙,减少全反射的发生,但是对电子阻挡层进行粗化不仅过程复杂,而且粗化后,容易出现电子阻挡层表面的颗粒过大、粗化不均匀等问题,从而导致发光二极管亮度不均匀。



技术实现要素:

为了解决对电子阻挡层进行粗化处理过程复杂,容易出现电子阻挡层表面的颗粒过大、粗化不均匀的问题,本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制备方法。所述技术方案如下:

一方面,本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片,所述外延片包括衬底和依次层叠在所述衬底上的缓冲层、u型GaN层、n型GaN层、发光层、增透层、电子阻挡层和p型GaN层,所述增透层包括层叠设置在所述发光层上的一层InN层和一层Mg3N2层,或者所述增透层包括交替层叠设置的多层所述InN层和多层所述Mg3N2层,且所述InN层和所述Mg3N2层的层数相同。

优选地,当所述增透层包括交替层叠设置的多层所述InN层和多层所述Mg3N2层时,所述InN层和所述Mg3N2层交替层叠的周期数为8~10。

进一步地,当所述增透层包括交替层叠设置的多层所述InN层和多层所述Mg3N2层时,所述增透层的厚度为32~60nm。

优选地,所述InN层的厚度为2~3nm。

优选地,所述Mg3N2层的厚度为2~3nm。

另一方面,本发明实施例还提供了一种发光二极管的外延片的制备方法,所述制备方法包括:

提供一衬底;

在所述衬底上生长依次生长缓冲层、u型GaN层、n型GaN层、发光层、增透层、电子阻挡层和p型GaN层,所述增透层包括层叠设置在所述发光层上的一层InN层和一层Mg3N2层,或者所述增透层交替层叠设置的多层所述InN层和多层所述Mg3N2层,且所述InN层和所述Mg3N2层的层数相同。

进一步地,所述增透层的生长温度为750℃~800℃。

优选地,所述增透层的生长压力为300~400mbar。

可选地,当所述增透层包括交替层叠设置的多层所述InN层和多层所述Mg3N2层时,所述增透层的厚度为32~60nm。

可选地,当所述增透层包括交替层叠设置的多层所述InN层和多层所述Mg3N2层时,所述InN层和所述Mg3N2层交替生长的周期数为8~10。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:通过将外延片设置为包括缓冲层、u型GaN层、n型GaN层、发光层、增透层、电子阻挡层和p型GaN层的形式,其中增透层为层叠设置的一层InN层和一层Mg3N2层或交替层叠设置的多层InN层和多层Mg3N2层,使得从发光层发出的光会先进入到增透层中,再经过增透层和电子阻挡层的界面处进入到电子阻挡层,由于InN材料和Mg3N2材料具有表面粗糙的特性,因此光线会在InN层和Mg3N2层的界面处发生漫反射,通过漫反射可以将朝向一个方向的反射光向多个方向反射,减少光线在增透层和电子阻挡层的界面处发生全反射的光的比例,且被反射回外延片内部的光线,会在InN层和Mg3N2层的界面处以漫反射的形式向远离发光层的一侧反射,避免光线被再次反射会外延片内部,从而减少光线在外延片内部反射的次数,减少了外延片对光的吸收,从而提高了出光率,同时不需要对电子阻挡层进行粗化处理,避免了对电子阻挡层进行粗化处理过程复杂,容易出现电子阻挡层表面的颗粒过大、粗化不均匀的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例,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。

图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图;

图2是本发明实施例提供的一种增透层的结构示意图;

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法的流程图;

图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法的流程图;

图5~图11是本发明实施例提供的发光二极管的外延片制作过程中的结构示意图;

图12是一种现有LED的外延片内光线传播路径示意图;

图13是本发明实施例提供的一种LED的外延片内光线传播路径示意图;

图14是一种现有的LED的结构示意图;

图15是一种采用本发明实施例中的外延片制备的LED的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图,如图1所示,外延片包括衬底10和依次层叠在衬底10上的缓冲层20、u型GaN层30、n型GaN层40、发光层50、增透层60、电子阻挡层70和p型GaN层80,图2是本发明实施例提供的一种增透层的结构示意图,增透层60包括交替层叠设置的多层InN层61和多层Mg3N2层62,且InN层61和Mg3N2层62的层数相同。

在本实施例中,增透层60包括交替层叠设置的多层InN层61和多层Mg3N2层62,以构成InN/Mg3N2超晶格结构,在本发明的另一种实施例方式中,增透层60也可以只包括层叠设置在发光层50上的一层InN层61和一层Mg3N2层62。

本发明实施例通过将外延片设置为包括缓冲层、u型GaN层、n型GaN层、发光层、增透层、电子阻挡层和p型GaN层的形式,其中增透层为层叠设置的一层InN层和一层Mg3N2层或交替层叠设置的多层InN层和多层Mg3N2层,使得从发光层发出的光会先进入到增透层中,再经过增透层和电子阻挡层的界面处进入到电子阻挡层,由于InN材料和Mg3N2材料具有表面粗糙的特性,因此光线会在InN层和Mg3N2层的界面处发生漫反射,通过漫反射可以将朝向一个方向的反射光向多个方向反射,减少光线在增透层和电子阻挡层的界面处发生全反射的光的比例,且被反射回外延片内部的光线,会在InN层和Mg3N2层的界面处以漫反射的形式向远离发光层的一侧反射,避免光线被再次反射会外延片内部,从而减少光线在外延片内部反射的次数,减少了外延片对光的吸收,从而提高了出光率,同时不需要对电子阻挡层进行粗化处理,避免了对电子阻挡层进行粗化处理过程复杂,容易出现电子阻挡层表面的颗粒过大、粗化不均匀的问题。

实现时,衬底10可以为蓝宝石衬底。

优选地,增透层60包括交替层叠设置的多层InN层61和多层Mg3N2层62,多层InN层61和多层Mg3N2层62构成InN/Mg3N2超晶格结构,可以具有多个InN层和Mg3N2层的界面,多个界面都可以对光线进行反射。

进一步地,当增透层60包括交替层叠设置的多层InN层61和多层Mg3N2层62时,增透层60的厚度可以为32~60nm。优选为45nm。若增透层60的厚度过大,会增厚外延片的总厚度,同时也会增加增透层60对光线的吸收量,若增透层60的厚度过小,则在每一个周期的厚度相同的情况下,周期数会减少。在增透层60的厚度相同的情况下,周期数越多,则光线在InN层和Mg3N2层的界面处散射的次数越多,会使得发生全反射的光线比例越少,从而使出光率更高。

需要说明的是,图2中仅示出了增透层60中的2个周期的结构,并不用以限制InN层和Mg3N2层交替层叠的周期数。

可选地,当增透层60包括交替层叠设置的多层InN层61和多层Mg3N2层62时,InN层61和Mg3N2层62交替层叠的周期数可以为8~10。以使得光线在增透层60中进行多次的散射。

可选地,InN层61的厚度可以为2~3nm。

可选地,Mg3N2层62的厚度为2~3nm。

在本发明的一种实现方式中,缓冲层20可以是GaN缓冲层。

可选地,发光层50包括交替层叠设置的InxGa(1-x)N层和GaN层,其中0.2<x<0.25。

可选地,电子阻挡层70可以是p型AlGaN电子阻挡层。

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法的流程图,如图3所示,该制备方法包括:

S11:提供一衬底。

S12:在衬底上生长依次生长缓冲层、u型GaN层、n型GaN层、发光层、增透层、电子阻挡层和p型GaN层。

其中,增透层包括层叠设置在发光层上的一层InN层和一层Mg3N2层,或者增透层包括交替层叠设置的多层InN层和多层Mg3N2层,且InN层和Mg3N2层的层数相同。

本发明实施例通过将外延片设置为包括缓冲层、u型GaN层、n型GaN层、发光层、增透层、电子阻挡层和p型GaN层的形式,其中增透层为层叠设置的一层InN层和一层Mg3N2层或交替层叠设置的多层InN层和多层Mg3N2层,使得从发光层发出的光会先进入到增透层中,再经过增透层和电子阻挡层的界面处进入到电子阻挡层,由于InN材料和Mg3N2材料具有表面粗糙的特性,因此光线会在InN层和Mg3N2层的界面处发生漫反射,通过漫反射可以将朝向一个方向的反射光向多个方向反射,减少光线在增透层和电子阻挡层的界面处发生全反射的光的比例,且被反射回外延片内部的光线,会在InN层和Mg3N2层的界面处以漫反射的形式向远离发光层的一侧反射,避免光线被再次反射会外延片内部,从而减少光线在外延片内部反射的次数,减少了外延片对光的吸收,从而提高了出光率,同时不需要对电子阻挡层进行粗化处理,避免了对电子阻挡层进行粗化处理过程复杂,容易出现电子阻挡层表面的颗粒过大、粗化不均匀的问题。

图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法的流程图,下面结合附图5~11对图4提供的制备方法进行详细说明:

S21:提供一衬底。

实现时,该衬底可以是蓝宝石衬底,蓝宝石衬底是一种常见的衬底,制备工艺较为成熟。

在步骤S21中,可以对蓝宝石衬底进行预处理,将蓝宝石衬底置于反应腔中,对蓝宝石衬底进行退火处理8~10分钟。

具体地,退火温度可以为1000~1100℃,退火压力可以为100~300mbar,进行退火处理时,向反应腔内以100L/min~130L/min的速度通入H2,以在氢气气氛下进行退火处理。

S22:在衬底上外延生长缓冲层。

如图5所示,在衬底10上生长GaN缓冲层20。

其中,GaN缓冲层20的厚度可以为20nm~40nm,生长的GaN缓冲层20的厚度不同,最终形成的外延层的质量也会不同,若GaN缓冲层20的厚度过薄,则会导致GaN缓冲层20的表面较为疏松和粗糙,不能为后续结构的生长提供一个好的模板,随着GaN缓冲层20厚度的增加,GaN缓冲层20的表面逐渐变得较为致密和平整,有利于后续结构的生长,但是若GaN缓冲层20的厚度过厚,则会导致GaN缓冲层20的表面过于致密,同样不利于后续结构的生长,无法减少外延层中的晶格缺陷。

具体地,生长GaN缓冲层20时,控制NH3的流量为10000~20000sccm,三甲基镓的流量为50~100sccm,H2的流量为100~130L/min。

GaN缓冲层20的生长温度可以为500~600℃,生长压力可以为300~600mbar。

优选地,在步骤S22之后,还可以对GaN缓冲层20进行处理,以使GaN缓冲层20的表面形成不规则小岛。

具体地,可以升高反应腔内的温度到1000~1100℃,保持反应腔内的压力为300~600mbar,控制NH3的流量为30000~40000sccm,H2的流量为100~130L/min,持续300~500秒,从而使得GaN缓冲层20的表面形成不规则小岛,避免GaN缓冲层20的表面过于致密。

S23:在缓冲层上生长u型GaN层。

如图6所示,在GaN缓冲层20上生长u型GaN层30。

实现时,u型GaN层30的厚度可以为2μm~4μm,若u型GaN层30的厚度过薄,会增加后续生长的结构中的位错密度,u型GaN层30的厚度过厚,会增大外延片的正向电阻。

具体地,生长u型GaN层30时,控制NH3的流量为30000~40000sccm,三甲基镓的流量为200~400sccm,H2的流量为100~130L/min。

u型GaN层30的生长温度可以为1000~1200℃,生长压力可以为300~600mbar。

S24:在u型GaN层上生长n型GaN层。

如图7所示,在u型GaN层30上生长n型GaN层40。

具体地,n型GaN层40可以包括第一n型GaN子层41和第二n型GaN子层42。

步骤S24可以包括:

在u型GaN层30上生长第一n型GaN子层41。

其中,第一n型GaN子层41的厚度可以为3~4μm。

进一步地,生长第一n型GaN子层41时,控制NH3的流量为30000~60000sccm,三甲基镓的流量为200~400sccm,H2的流量为100~130L/min,SiH4的流量为20~50sccm。

第一n型GaN子层41的生长温度可以为1000~1200℃,生长压力可以为300~600mbar。

可选地,第一n型GaN子层41中的Si掺杂浓度可以为5E18cm-3~1E19cm-3

在第一n型GaN子层41上生长第二n型GaN子层42。

其中,第二n型GaN子层42的厚度可以为200~400nm。

进一步地,生长第二n型GaN子层42时,控制NH3的流量为30000~60000sccm,三甲基镓的流量为200~400sccm,H2的流量为100~130L/min,SiH4的流量为2~10sccm。

第二n型GaN子层42的生长温度可以为1000~1200℃,生长压力可以为300~600mbar。

可选地,第二n型GaN子层42中的Si掺杂浓度可以为5E17cm-3~1E18cm-3

S25:在n型GaN层上生长发光层。

如图8所示,在n型GaN层40上生长发光层50。

实现时,发光层50可以包括交替层叠的InxGa(1-x)N层51和GaN层52,其中0.2<x<0.25。InxGa(1-x)N层51和GaN层52交替层叠的周期数可以为7~15。

需要说明的是,图8中仅示出了发光层50中的部分结构,并不用于限制InxGa(1-x)N层51和GaN层52交替层叠的周期为2。

具体地,生长InxGa(1-x)N层51时,控制NH3的流量为50000~70000sccm,三甲基镓的流量为20~40sccm,三甲基铟的流量为1500~2000sccm,N 2的流量为100~130L/min。

可选地,InxGa(1-x)N层51的厚度可以为2.5~3.5nm。

InxGa(1-x)N层51的生长温度可以为700~750℃,生长压力可以为300~400mbar。

具体地,生长GaN层52时,控制NH3的流量为50000~70000sccm,三甲基镓的流量为20~100sccm,N2的流量为100~130L/min。

可选地,GaN层52的厚度可以为8~15nm。

GaN层52的生长温度可以为750~850℃,生长压力可以为300~400mbar。

S26:在发光层上生长增透层。

如图9所示,在发光层50上生长增透层60。

实现时,增透层60可以包括交替层叠设置的多层InN层61和多层Mg3N2层62。InN层61和Mg3N2层62交替生长的周期数可以为8~10,以使得光线在增透层60中进行多次的散射。

需要说明的是,图9中仅示出了增透层60的部分结构,并不用以限制InN层61和Mg3N2层62各只有1层。

具体地,生长InN层61时,控制NH3的流量为50000~70000sccm,三甲基镓的流量为30~60sccm,三甲基铟的流量为100~130sccm,N2的流量为100~130L/min。

可选地,InN层61的厚度可以为2~3nm。

InN层61的生长温度可以为750~800℃,生长压力可以为300~400mbar。

具体地,生长Mg3N2层62时,控制NH3的流量为50000~70000sccm,二茂镁的流量为1000~1300sccm,N2的流量为100~130L/min。

可选地,Mg3N2层62的厚度可以为2~3nm。

Mg3N2层62的生长温度可以为750~800℃,生长压力可以为300~400mbar。

优选地,当增透层60包括交替层叠设置的多层InN层61和多层Mg3N2层62时,增透层60的厚度可以为32~60nm。若增透层60的厚度过大,会增厚外延片的总厚度,同时也会增加增透层60对光线的吸收量,若增透层60的厚度过小,则在每一个周期的厚度相同的情况下,周期数会减少,从而减少了光线在InN层61和Mg3N2层62的界面处散射的次数。

在本实施例中,增透层60包括交替层叠设置的多层InN层61和多层Mg3N2层62,从而构成InN/Mg3N2超晶格结构,在本发明实施例的另一种实现方式中,增透层60也可以只包括层叠设置的一层InN层和一层Mg3N2层,以降低制备成本。

需要说明的是,在生长增透层60时,可以先生长InN层61也可以先生长Mg3N2层62。

S27:在增透层上生长电子阻挡层。

如图10所示,在增透层60上生长p型AlGaN电子阻挡层70。

实现时,p型AlGaN电子阻挡层70的厚度可以为50nm~100nm,若p型AlGaN电子阻挡层70的厚度过薄,会降低对电子的阻挡能力,若p型AlGaN电子阻挡层70的厚度过厚,则会增加p型AlGaN电子阻挡层70会光的吸收,从而导致LED的亮度降低。

具体地,生长p型AlGaN电子阻挡层70时,控制NH3的流量为50000~70000sccm,三甲基镓的流量为30~60sccm,H2的流量为100~130L/min,三甲基铝的流量为100~130sccm,二茂镁的流量为1000~1300sccm。

p型AlGaN电子阻挡层70的生长温度可以为900~950℃,生长压力可以为200~400mbar。

可选地,p型AlGaN电子阻挡层70中的Mg掺杂浓度可以为1E19cm-3~1E20cm-3,Al的浓度可以为1E20cm-3~3E20cm-3

S28:在电子阻挡层上生长p型GaN层。

如图11所示,在电子阻挡层70上生长p型GaN层80。

具体地,p型GaN层80的厚度可以为50nm~200nm。

具体地,生长p型GaN层80时,控制NH3的流量为50000~70000sccm,三甲基镓的流量为20~100sccm,H2的流量为100~130L/min,二茂镁的流量为1000~3000sccm。

p型GaN层80的生长温度可以为950~1000℃,生长压力可以为400~900mbar。

可选地,p型GaN层80中的Mg掺杂浓度可以为1E19cm-3~1E20cm-3

S29:将反应腔在650~680℃保温20~30min,之后关闭加热系统和给气系统,待反应腔温度降低至室温。

之后可以对外延片进行后续制程,以制备LED。

图12是一种现有LED的外延片内光线传播路径示意图,如图12所示,部分光线在外延片的表面141处发生全反射,反射回外延片的内部,并在电子阻挡层和p型GaN层的界面142处再次发生反射,光线通过多次反射才会从外延片的表面141处射出。

图13是本发明实施例提供的一种LED的外延片内光线传播路径示意图,如图13所示,部分光线在外延片的表面151处发生全反射,反射回外延片的内部,并在电子阻挡层和增透层的界面152处发生漫反射,漫反射后的部分光线可以直接从外延片的表面151处射出,只有一小部分会再次反射回外延片内部,从而可以减少光线在外延片内部反射的次数。

需要说明的是,图12和图13中的小圆圈表示外延片内部的杂质原子,例如碳原子等,该杂质原子并非故意掺杂的原子,这种杂质原子也会对光线进行反射。

图14是一种现有的LED的结构示意图,图15是一种采用本发明实施例中的外延片制备的LED的结构示意图,两种LED中的欧姆接触层120均为150nm的氧化铟锡层,且制备工艺相同,两种LED中的电极材料相同,均为Cr/Pt/Au电极110,厚度均为1500nm,且制备工艺相同,两种LED中的保护层130均为100nm的SiO2,两种LED的尺寸相同,均为25mil×25mil,且采用相同的切割工艺,在相同的封装工艺下封装成白光LED,分别随机抽取100颗,在350mA电流下进行测试,下表为测试结果的统计表。

由以上数据可知,采用本发明中的外延片制备的LED,亮度从126.01Lm/w提升到了135.31Lm/w,有效提高了LED的亮度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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