发光二极管及其制备方法与流程

本发明涉及照明技术领域，具体涉及一种发光二极管及其制备方法。

背景技术：

与传统照明相比，半导体发光二极管(light-emissiondiodes,led)尤其是氮化物(氮化镓)发光二极管有较高的发光效率，因此在照明领域得到了越来越广泛的应用。

对于制作发光二极管来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和led器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为衬底，分别是：蓝宝石(al2o3)、硅(si)、碳化硅(sic)。

通常，氮化镓基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。蓝宝石衬底与硅衬底、碳化硅衬底相比有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。

使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，由于是采用异质外延(蓝宝石上异质生长氮化镓)，晶格失配和热失配导致生长的发光二极管器件内存在大量的位错缺陷，这些位错降低了外延层的生长质量，导致发光二极管发光效率的降低，寿命的减少，以及可靠性的降低。

通过在蓝宝石衬底上预先生长低温缓冲层可以起到缓解两种不同材料的失配问题，如申请号为cn200910062768.0、cn201120107283.1等专利文献中均公开了低温缓冲层技术。目前商业化的方法是在mocvd(金属有机化学气相沉积)生长过程中先在400～600℃条件下生长低温缓冲层，然后升温到900～1100℃生长三维或者准二维层氮化物后，再调整反应室压力、温度等参数获得平面的氮化物表面。采用mocvd生长的低温缓冲层虽然能够极大的降低位错密度，但因为生长条件的限制，缓冲层的厚度基本都在20nm以上，依然会有大量位错密度穿透至外延层；另外，因为mocvd生长低温缓冲层仍然采用v/iii比较大的条件，生长速率往往取决于iii族源的流量，当衬底尺寸等于或者大于4寸时，因为iii族源的不均匀性导致厚度均匀性较差，使外延层中的位错密度在晶圆上也差异较大。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种发光二极管及其制备方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种发光二极管，包括：衬底，位于所述衬底上的叠层结构，位于所述叠层结构上的u-gan，位于所述u-gan上的n-gan，位于所述n-gan上的量子阱结构，位于所述量子阱结构上的p-gan；所述叠层结构包括多层氮化镓层和多层氮化铝层，相邻氮化镓层之间具有所述氮化铝层，氮化镓层层数等于氮化铝层层数，叠层结构中最底端与衬底接触层为氮化镓层，叠层结构中最顶端与u-gan接触层为氮化铝层；所述u-gan为未掺杂氮化镓层，所述n-gan为n型掺杂氮化镓层，所述量子阱结构包括阱层和多层垒层，所述垒层在垂直于所述n-gan表面的方向上层叠设置，相邻垒层之间具有所述阱层，所述p-gan为p型掺杂氮化镓层。

可选的，所述叠层结构厚度为20～50nm。

可选的，所述叠层结构中氮化铝层与氮化镓层厚度比为1:(2～3)。

可选的，所述叠层结构中位于氮化镓层与氮化铝层之间至少其中之一包括铝镓氮层。

可选的，所述铝镓氮层距离所述u-gan距离小于距离所述衬底距离。

可选的，所述铝镓氮层距离所述u-gan的距离为距离所述衬底距离的1/5～3/5。

可选的，所述叠层结构中氮化铝层至少其中之一为铟铝氮层。

可选的，所述叠层结构中氮化镓层至少其中之一为铟镓氮层。

一种发光二极管的制备方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成叠层结构；

在所述叠层结构上形成u-gan；

在所述u-gan上形成n-gan；

在所述n-gan上形成量子阱结构；

在所述量子阱结构上形成p-gan；

所述叠层结构包括多层氮化镓层和多层氮化铝层，相邻氮化镓层之间具有所述氮化铝层，氮化镓层层数等于氮化铝层层数，叠层结构中最底端与衬底接触层为氮化镓层，叠层结构中最顶端与u-gan接触层为氮化铝层；所述u-gan为未掺杂氮化镓层，所述n-gan为n型掺杂氮化镓层，所述量子阱结构包括阱层和多层垒层，所述垒层在垂直于所述n-gan表面的方向上层叠设置，相邻垒层之间具有所述阱层，所述p-gan为p型掺杂氮化镓层。

可选的，所述制备方法还包括对衬底预处理步骤，所述预处理步骤是在900℃～1200℃，氮气、氢气流量比为1:(3～5)条件下处理5～10分钟。

本发明的有益效果是：本发明所提供的发光二极管，通过在衬底上形成具有氮化铝和氮化镓的叠层结构，在形成叠层结构的过程中将因异质外延所产生的应力进行逐步的释放，避免生长过程中产生的位错穿透至外延层进而影响到外延层的结晶质量和最后制成的发光二极管的性能；由于生长氮化铝的温度高于(800℃～1100℃)现有技术中的低温缓冲层(400℃～600℃)，在形成叠层结构的过程中提高了氮化镓的生长速率，不需要依靠iii族源流量的增大来提高生长速率，改善了厚度的均匀性；与单独使用氮化铝作为缓冲层相比，叠层结构可以通过将应力进行逐步的释放，更好的减少衬底与外延层之间的失配，得到的外延层表面形貌更为平整。

附图说明

图1为现有技术发光二极管结构示意图；

图2为现有技术发光二极管量子阱结构示意图；

图3为本发明所提供的发光二极管结构示意图；

图4为本发明所提供的发光二极管叠层结构示意图；

图5为本发明提供的发光二极管制备方法流程图。

具体实施方式

发光二极管在通过mocvd设备制造过程中存在诸多问题，例如，所形成的发光二极管的性能较差。

现结合发光二极管结构及其制造过程，分析所述发光二极管性能较差的原因：

请参考图1、图2，现有技术中的发光二极管100包括：衬底102；在所述衬底102上形成的缓冲层103；在所述缓冲层103上形成的u-gan106，在所述u-gan106上形成的n-gan108，在所述n-gan108上形成的量子阱结构110，在所述量子阱结构110上形成的p-gan112。

其中所述缓冲层103为低温氮化镓层，所述u-gan106为未掺杂氮化镓层，所述n-gan108为n型掺杂氮化镓层，所述量子阱结构110包括阱层110b和多层垒层110a，所述垒层110a在垂直于所述n-gan108表面的方向上层叠设置，相邻垒层110a之间具有所述阱层110b，所述p-gan112为p型掺杂氮化镓层。

如背景技术中所提到的，通过在衬底上预先生长低温缓冲层可以起到缓解两种不同材料的失配问题，但因为生长条件的限制，缓冲层的厚度基本都在20nm以上，依然会有大量位错密度穿透至外延层；另外，因为mocvd生长低温缓冲层仍然采用v/iii比较大的条件，生长速率往往取决于iii族源的流量，当衬底尺寸等于或者大于4寸时，因为iii族源的不均匀性导致厚度均匀性较差，使外延层中的位错密度在晶圆上也差异较大。

为解决所述技术问题，本发明提供了一种发光二极管，请参考图3、图4，包括：衬底102；位于所述衬底102上的叠层结构104；位于所述叠层结构104上的u-gan106；位于所述u-gan106上的n-gan108；位于所述n-gan108上的量子阱结构110；位于所述量子阱结构110上的p-gan112。

其中所述叠层结构104包括多层氮化镓层104b和多层氮化铝层104a，相邻氮化镓层104b之间具有所述氮化铝层104a，氮化镓层104b层数等于氮化铝层104a层数，叠层结构中最底端与衬底接触层为氮化镓层104b，叠层结构中最顶端与u-gan106接触层为氮化铝层104a。

与氮化镓相比，氮化铝与衬底具有更小的晶格失配和热失配，同时氮化铝与氮化镓有很好的兼容性，通过在衬底上形成具有氮化铝和氮化镓的叠层结构，在形成叠层结构的过程中将因异质外延所产生的应力进行逐步的释放，避免生长过程中产生的位错穿透至外延层进而影响到外延层的结晶质量和最后制成的发光二极管的性能；由于生长氮化铝的温度高于(800℃～1100℃)现有技术中的低温缓冲层(400℃～600℃)，在形成叠层结构的过程中提高了氮化镓的生长速率，不需要依靠iii族源流量的增大来提高生长速率，改善了厚度的均匀性；与单独使用氮化铝作为缓冲层相比，叠层结构可以通过将应力进行逐步的释放，更好的减少衬底与外延层之间的失配，得到的外延层表面形貌更为平整。

在通过金属有机化学气相沉积工艺制备发光二极管时，一般是将衬底置于载片盘上然后传至反应腔室中进行沉积，沉积过程中载片盘上没有与衬底接触部分也会同时沉积发光二极管所包含的各层，沉积结束后需要将载片盘拿去烘烤或者蚀刻以重复使用，由于叠层结构是最先沉积在衬底上的一层，因而叠层结构也是最先与载片盘接触的一层，如果叠层结构最底端与衬底接触层为氮化铝，氮化铝分解温度高、化学性质稳定，在通过烘烤或者蚀刻对载片盘进行清洁时难以去除干净，不仅会影响到后续正常生产，同时也会缩短载片盘的寿命，叠层结构最底端与衬底接触层为氮化镓层则可以方便的通过烘烤或者蚀刻将载片盘表面清洁干净。

发光二极管n-gan层中产生的电子与p-gan层中产生的空穴在量子阱结构中复合发光，因而发光源位于叠层结构上，叠层结构中最顶端与u-gan接触层为氮化铝层，氮化铝层反射率高于氮化镓层反射率，可进一步提高出光效率。

现有技术中所提供的缓冲层厚度为10～30nm，本发明提供的叠层结构104一个较佳的厚度范围在20～50nm，氮化铝层104a与氮化镓层104b厚度比为1:(2～3)。如果所述叠层结构104的厚度过小，容易在高温过程中产生凹凸不平的表面；如果所述叠层结构104的厚度过大，叠层结构内部会积聚较大的应力和翘曲，特别是大尺寸外延结构。

其中所述叠层结构104中位于氮化镓层104b与氮化铝层104a之间至少其中之一包括铝镓氮层，通过设置铝镓氮层进一步减少叠层结构104自身内产生的应力，降低叠层结构104内产生的位错密度，提高叠层结构104结晶质量，以使叠层结构104发挥更好的缓冲作用。

通过试验验证，当叠层结构104中包括一个铝镓氮层时，所述铝镓氮层距离u-gan106距离小于距离衬底102距离，可以达到更佳的应力释放效果，优选的，所述铝镓氮层距离u-gan106的距离为距离衬底102距离的1/5～3/5。

所述叠层结构中氮化铝层至少其中之一为铟铝氮层或者氮化镓层至少其中之一为铟镓氮层。在叠层结构中氮化铝层或氮化镓层掺杂铟，可以更好的改善氮化铝层与氮化镓层接触界面，降低接触界面位错密度。

本发明还提供了与上述对应的发光二极管的制备方法，参见图5，该制备方法包括：

步骤402：提供衬底。

本实施例中，所述衬底的材料为蓝宝石。在其他实施例中，所述衬底的材料还可以为氮化镓、硅、氧化锌或碳化硅。

本实施例中，优选对衬底进行预处理，使衬底进行择优取向，同时去除残存在衬底表面上的颗粒等杂物，得到结晶质量更好的发光二极管，所述预处理步骤是在高温条件下氢气和氮气混合气氛中对衬底进行预处理，优选在900℃～1200℃，氮气、氢气流量比为1:(3～5)条件下处理5～10分钟。

步骤404：在所述衬底上形成叠层结构。

本实施例中，所述叠层结构包括多层氮化镓层和多层氮化铝层，相邻氮化镓层之间具有所述氮化铝层，氮化镓层层数等于氮化铝层层数，叠层结构中最底端与衬底接触层为氮化镓层，叠层结构中最顶端与u-gan接触层为氮化铝层。

本实施例中，所述叠层结构厚度为20～50nm，氮化铝层与氮化镓层厚度比为1:(2～3)。

本实施例中，还可以在所述叠层结构中位于氮化镓层与氮化铝层之间至少其中之一包括铝镓氮层，通过设置铝镓氮层进一步减少叠层结构自身内产生的应力，降低叠层结构内产生的位错密度，提高叠层结构结晶质量，以使叠层结构发挥更好的缓冲作用。当叠层结构中包括一个铝镓氮层时，所述铝镓氮层距离u-gan距离小于距离衬底距离，可以达到更佳的应力释放效果，作为优选，所述铝镓氮层距离u-gan的距离为距离衬底距离的1/5～3/5。

本实施例中，形成所述叠层结构的工艺包括：金属有机化合物气相沉积工艺。

本实施例中，形成所述叠层结构的反应气体包括：镓源气体、铝源气体和氮源气体。所述镓源气体包括三甲基镓(tmga)和三乙基镓(tega)中的一种或两种组合，所述铝源气体为三甲基铝(tmal)，所述氮源气体包括氨气(nh3)；载气包括氮气(n2)和氢气(h2)中的一种或两种组合。

步骤406：在所述叠层结构上形成u-gan。

本实施例中，所述u-gan为未掺杂gan。

本实施例中，形成所述u-gan的工艺包括：金属有机化合物气相沉积工艺。

本实施例中，形成所述u-gan的反应气体包括：镓源气体和氮源气体。所述镓源气体包括三甲基镓(tmga)和三乙基镓(tega)中的一种或两种组合，所述氮源气体包括氨气(nh3)；载气包括氮气(n2)和氢气(h2)中的一种或两种组合。

本实施例中，如果形成所述u-gan的温度过低，容易使形成的u-gan结晶质量较差；如果形成所述u-gan的温度过高，容易造成表面缺陷。具体的，形成所述u-gan的工艺参数包括：反应温度为800℃～1200℃。

本实施例中，如果所述u-gan的厚度过小，不容易将衬底上的图形覆盖；如果所述u-gan的厚度过大，容易产生较大的翘曲和材料浪费以及生产成本。具体的，所述u-gan的厚度为0.5μm～8μm。

步骤408：在所述u-gan上形成n-gan。

本实施例中，所述n-gan用于形成发光二极管的负极。

具体的，所述n-gan为含有n型离子的gan。

本实施例中，所述n型离子为硅离子。所述n-gan中的硅离子的掺杂浓度为1e17atoms/cm3～3e19atoms/cm3。

本实施例中，形成所述n-gan的工艺包括：金属有机化学气相沉积工艺。

本实施例中，形成所述n-gan的反应气体包括：镓源气体、氮源气体和硅源气体，所述镓源气体包括三甲基镓(tmga)和三乙基镓(tega)中的一种或两种组合，所述氮源气体包括氨气(nh3)，所述硅源气体包括硅烷(sih4)；载气包括氮气(n2)和氢气(h2)中的一种或两种组合。

如果形成所述n-gan的温度过低，容易使形成的n-gan晶格质量较差；如果形成所述n-gan的温度过高，容易造成表面缺陷。具体的，本实施例中，形成所述n-gan反应温度为800℃～1200℃。

本实施例中，所述n-gan的厚度为0.5μm～8μm。

步骤410：在所述n-gan上形成量子阱结构。

本实施例中，所述量子阱结构为多量子阱结构。在其他实施例中，所述量子阱结构还可以为单量子阱结构。

所述量子阱结构能够形成多个分离的量子阱，从而增加所形成发光二级管的量子效率，提高发光二级管的发光效率。

本实施例中，所述量子阱结构包括阱层和多层垒层，所述垒层在垂直于所述n-gan表面的方向上层叠设置，相邻垒层之间具有所述阱层。

本实施例中，所述阱层的材料为ingan，所述垒层的材料为gan。

本实施例中，所述阱层的层数为2层～30层。所述垒层比阱层多一层。所述垒层的层数为3层～31层。

本实施例中，形成所述阱层与所述垒层的工艺包括：金属有机化学气相沉积工艺。

本实施例中，形成所述阱层的反应气体包括：镓源气体、氮源气体和铟源气体，所述镓源气体包括三甲基镓(tmga)和三乙基镓(tega)中的一种或两种组合，所述铟源气体包括三甲基铟(tmin)，所述氮源气体包括氨气(nh3)；载气包括氮气(n2)和氢气(h2)中的一种或两种组合。

本实施例中，形成所述阱层的工艺参数包括：反应温度为600℃～900℃。

如果所述阱层的厚度过大，容易增加量子阱结构中量子阱的宽度，从而减小对量子阱中电子的束缚作用，容易增加电子的逃逸，降低所形成发光二极管的发光效率；如果所述阱层的厚度过小，容易增加工艺难度。具体的，本实施例中，所述阱层的厚度为0.5nm～5nm。

本实施例中，所述阱层中铟的含量为15％～50％。

本实施例中，形成所述垒层的反应气体包括：镓源气体和氮源气体，所述镓源气体包括三甲基镓(tmga)和三乙基镓(tega)中的一种或两种组合，所述氮源气体包括氨气(nh3)；载气包括氮气(n2)和氢气(h2)中的一种或两种组合。

如果所述垒层的厚度过小，容易使阱层的能带发生耦合，从而增加电子的逃逸，降低发光效率；如果所述垒层的厚度过大容易增加量子阱结构的导电性，影响所形成发光二极管的性能。具体的，本实施例中，所述垒层的厚度为0.5nm～5nm。

本实施例中，形成所述垒层的工艺参数包括：反应温度为600℃～900℃。

步骤412：在所述量子阱结构上形成p-gan。

本实施例中，所述p-gan用做所形成发光二极管的正极。

具体的，所述p-gan为含有p型离子的gan。

本实施例中，所述p型离子为镁离子。所述p-gan中的镁的掺杂浓度为1e18atoms/cm3～2e20atoms/cm3。

本实施例中，形成所述p-gan的工艺包括：金属有机化学气相沉积工艺。

本实施例中，形成所述p-gan的反应气体包括：镓源气体、氮源气体和镁源气体，所述镓源气体包括三甲基镓(tmga)和三乙基镓(tega)中的一种或两种组合，所述氮源气体包括氨气(nh3)，所述镁源气体包括二茂镁(cp2mg)；载气包括氮气(n2)和氢气(h2)中的一种或两种组合。

本实施例中，形成所述p-gan的工艺参数包括：反应温度为800℃～1100℃。

本实施例中，所述p-gan的厚度为30nm～50nm。

综上，本发明所提供的发光二极管的制备方法中，通过在衬底上形成具有氮化铝和氮化镓的叠层结构，在形成叠层结构的过程中将因异质外延所产生的应力进行逐步的释放，避免生长过程中产生的位错穿透至外延层进而影响到外延层的结晶质量和最后制成的发光二极管的性能；由于生长氮化铝的温度高于(800℃～1100℃)现有技术中的低温缓冲层(400℃～600℃)，在形成叠层结构的过程中提高了氮化镓的生长速率，不需要依靠iii族源流量的增大来提高生长速率，改善了厚度的均匀性；与单独使用氮化铝作为缓冲层相比，叠层结构可以通过将应力进行逐步的释放，更好的减少衬底与外延层之间的失配，得到的外延层表面形貌更为平整。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。