氮化物发光二极管的外延片及制备方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化物发光二极管的外延片及制备方法。


背景技术：

2.micro-led显示具有自发光、高效率、低功耗、高集成度、高稳定性等诸多优点，且体积小、灵活性高、易于拆解与合并，能够应用于现有从小尺寸到大尺寸的任何显示应用场合中。现代社会已经进入信息化并向智能化方向发展，显示是实现信息交换和智能化的关键环节，在目前众多显示技术中，micro-led显示技术被认为是具有颠覆性的下一代显示技术。
3.现有研究表明，micro-led器件随着尺寸减小，量子效率产生显著衰减，且峰值效率向高电流密度方向移动，micro-led基于不同的转移技术，单片波长要求控制在甚至
±
1nm，如何提升led的发光效率和波长一致性也是外延垒晶与芯片技术难题。led的发光效率很大程度和外延层的材料特性相关，所以制作优良的发光层成为提高led光效的关键，在外延生长过程中ingan量子阱层中的in组分随着厚度的增加in原子的并入效率增加，所以随着ingan量子阱层远离衬底的生长方向上in组分明显高于靠近衬底的ingan量子阱层，尤其是绿光、黄光及红光等长波led外延生长中in组分差异更大，严重影响led外延片均匀性和光电性能。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种极大改善高电流密度下外延片的抗静电释放(esd)性能、提高发光效率的氮化物发光二极管外延片的制备方法。
5.为了解决上述问题，本发明提供了一种氮化物发光二极管外延片的制备方法，所述氮化物发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：
6.s1、在衬底上生长n型gan层；
7.s2、在所述n型gan层上生长氮化物超晶格层；
8.s3、在所述氮化物超晶格层上生长gan后垒层；
9.s4、在所述gan后垒层上生长氮化物量子阱发光层，包括周期性循环生长的ingan量子阱层和gan量子垒层，包括；
10.s41、在所述gan后垒层上生长ingan量子阱层；其中，所述ingan量子阱层包括第一ingan量子阱层和第二ingan量子阱层；步骤包括：
11.s411、在所述gan后垒层生长第一ingan量子阱层；
12.s412、在所述第一ingan量子阱层生长第二ingan量子阱层；
13.s413、中断第二ingan量子阱层生长；
14.s414、多次重复步骤s412和s413，形成第二ingan量子阱层；
15.s42、在所述ingan量子阱层上生长gan量子垒层；
16.s43、多次重复步骤s41和s42，得到氮化物量子阱发光层；
17.s5、在所述氮化物量子阱发光层上生长p型氮化物层。
18.作为本发明的进一步改进，步骤s3中，在所述氮化物超晶格层上生长gan后垒层，包括：
19.s31、在所述氮化物超晶格层上生长第一n型氮化物后垒层；
20.s32、在所述第一n型氮化物后垒层生长第二氮化物后垒层；包括：
21.s321、在所述第一n型氮化物后垒层生长第一n型氮化物后垒子层；
22.s322、在所述第一n型氮化物后垒子层上生长第二非掺杂氮化物后垒中间层；
23.s323、在所述第二非掺杂氮化物后垒中间层上生长第二p型氮化物后垒子层；
24.s324、多次重复步骤s321-s323；
25.s33、在所述第二氮化物后垒层上生长第三非掺杂氮化物后垒层。
26.作为本发明的进一步改进，所述第一n型氮化物后垒层和第一n型氮化物后垒子层掺杂si，所述第二p型氮化物后垒子层掺杂mg。
27.作为本发明的进一步改进，所述ingan量子阱层厚度为1-3nm，所述第一ingan量子阱层的厚度为0.5-1nm；所述第二ingan量子阱层的厚度为0.5-2nm。
28.作为本发明的进一步改进，所述氮化物超晶格层包括周期性循环2-6次生长的1-3nm的ingan超晶格阱层和2-4nm的gan超晶格垒层。
29.作为本发明的进一步改进，步骤s412中的生长时间与步骤s413中的中断时间比为9:1-1:1。
30.作为本发明的进一步改进，步骤s413中的中断时间为1-5s。
31.作为本发明的进一步改进，步骤s413的生长气氛为n2和h2，在步骤s414每个循环周期中，n2:h2摩尔流量比线性增加。
32.作为本发明的进一步改进，步骤s411和s412的生长气氛为n2。
33.本发明还提供了一种micro-led外延片，其采用上述任一所述的氮化物发光二极管外延片的制备方法制备得到。
34.本发明的有益效果：
35.本发明的氮化物发光二极管外延片的制备方法通过氮化物量子阱层分段生长，并在每个循环周期的氮化物量子阱层后半段生长中周期性循环中断，以降低in的并入，在中断过程中，in充分迁移使得氮化物量子阱层内的原子重新分布，而多余的in原子从氮化物量子阱层表面解析，降低了后半段氮化物量子阱层in的并入，使得整个氮化物量子阱层in组分均匀分布，提高了氮化物量子阱层晶体质量，克服ingan量子阱层中的in组分随着厚度的增加in原子的并入效率增加in组分的不均匀性的问题。
36.此外，本发明在生长第二氮化物后垒层时，利用氮化物后垒层mg原子的引入提高氮化物后势垒层的晶格常数，更加匹配氮化物量子阱发光层的晶格，为氮化物量子阱发光层生长提供基础，提高氮化物量子阱发光层组分均匀性，提高外延片波长均匀性，提高了外延片发光效率。
37.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
38.图1是本发明实施例一中micro-led外延片的结构图；
39.图2是本发明实施例二中gan后垒层的结构图。
40.标记说明：1、衬底；2、n型gan层；3、氮化物超晶格层；31、ingan超晶格阱层；32、gan超晶格垒层；4、gan后垒层；41、第一n型氮化物后垒层；42、第二氮化物后垒层；421、第一n型氮化物后垒子层；422、第二非掺杂氮化物后垒中间层；423、第二p型氮化物后垒子层；43、第三非掺杂氮化物后垒层；5、氮化物量子阱发光层；51、ingan量子阱层；511、第一ingan量子阱层；512、第二ingan量子阱层；52、gan量子垒层；6、p型氮化物层。
具体实施方式
41.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
42.实施例一
43.参照图1所示，本实施例公开了一种氮化物发光二极管外延片的制备方法，其包括以下步骤：
44.s1、在衬底1上生长n型gan层2；具体地，在衬底1上，在温度1080℃条件下生长厚度为2.5μm的n型gan层2，si的掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
；
45.s2、在n型gan层2上生长氮化物超晶格层3；具体地，在n型gan层2上，在920℃条件下生长氮化物超晶格层，包括周期性循环3次生长的厚度为1.5nm的ingan超晶格阱层31和3nm的gan超晶格垒层32；
46.s3、在氮化物超晶格层3上生长gan后垒层4；具体地，氮化物超晶格层3上，在950℃条件下生长厚度为178nm的n型gan后垒层4，si的掺杂浓度为2
×
10
17
cm-3
；
47.s4、在gan后垒层4上生长氮化物量子阱发光层5，包括周期性循环3次生长的ingan量子阱层51和gan量子垒层52，包括；
48.s41、在750℃条件下，在gan后垒层4上生长ingan量子阱层51；其中，ingan量子阱层51包括第一ingan量子阱层511和第二ingan量子阱层512；步骤包括：
49.s411、在gan后垒层4生长第一ingan量子阱层511；具体地，在n2氛围下，生长厚度为0.8nm的第一ingan量子阱层511；
50.s412、在第一ingan量子阱层511生长第二ingan量子阱层512；具体地，在n2氛围下，生长厚度为0.2nm第二ingan量子阱子层512；在外延生长过程中ingan量子阱层中的in组分随着厚度的增加in原子的并入效率增加，所以随着ingan量子阱层远离衬底的生长方向上in组分明显高于靠近衬底的ingan量子阱层，并在每个循环周期的氮化物量子阱层后半段生长中周期性循环中断，以降低in的并入，在中断过程中，in充分迁移使得氮化物量子阱层内的原子重新分布，而多余的in原子从氮化物量子阱层表面解析，降低了后半段氮化物量子阱层in的并入，使得整个氮化物量子阱层in组分均匀分布。
51.s413、中断第二ingan量子阱层512生长；具体地，通入h2，在n2和h2混合气氛中，n2:h2摩尔流量比100：1.5，中断第二ingan量子阱子层512生长，维持2s；
52.s414、重复10次步骤s412和s413；其中，步骤s412中的生长时间和步骤s413中的中断时间比为9：1；因为，如果生长时间和中断时间比不够，在中断过程中，in不能充分迁移使
得氮化物量子阱层内的原子重新分布，而多余的in原子也来不及从氮化物量子阱层表面解析；如果生长时间和中断时间比不够，ingan量子阱会在h2氛围中形成刻蚀，造成ingan量子阱表面粗糙度增大，形不成界面清晰的发光层，影响外延片发光效率。
53.s42、在ingan量子阱层51上生长gan量子垒层52；具体地，在h2氛围内，980℃条件下生长厚度为10nm的gan量子垒层52。
54.s43、重复3次步骤s41和s42，得到氮化物量子阱发光层5；
55.s5、在氮化物量子阱发光层5上生长p型氮化物层6。具体地，在氮化物量子阱发光层5上，1050℃条件下，生长厚度150nm的p型gan层。
56.可选地，ingan量子阱层51厚度为1-3nm，第一ingan量子阱层511的厚度为0.5-1nm；第二ingan量子阱层512的厚度为0.5-2nm。
57.可选地，氮化物超晶格层包括周期性循环2-6次生长的1-3nm的ingan超晶格阱层31和2-4nm的gan超晶格垒层32。
58.可选地，步骤s412中的生长时间与步骤s413中的中断时间比为9:1-1:1。
59.可选地，步骤s413的生长气氛为n2和h2，n2:h2摩尔流量比100：1-100：5。
60.可选地，步骤s413中的中断时间为1-5s。
61.本实施例的氮化物发光二极管外延片的制备方法通过氮化物量子阱层分段生长，并在每个循环周期的氮化物量子阱层后半段生长中周期性循环中断，以降低in的并入，在中断过程中，in充分迁移使得氮化物量子阱层内的原子重新分布，而多余的in原子从氮化物量子阱层表面解析，降低了后半段氮化物量子阱层in的并入，使得整个氮化物量子阱层in组分均匀分布，提高了氮化物量子阱层晶体质量，克服ingan量子阱层中的in组分随着厚度的增加in原子的并入效率增加in组分的不均匀性的问题，提高了外延片发光效率。
62.实施例二
63.参照图1-2所示，本实施例公开了一种氮化物发光二极管外延片的制备方法，其包括以下步骤：
64.s1、在衬底1上生长n型gan层2；具体地，在衬底1上，在温度1080℃条件下生长厚度为2.5μm的n型gan层2，si的掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
；
65.s2、在n型gan层2上生长氮化物超晶格层3；具体地，在n型gan层2上，在920℃条件下生长氮化物超晶格层，包括周期性循环3次生长的厚度为1.5nm的ingan超晶格阱层31和3nm的gan超晶格垒层32；
66.s3、在氮化物超晶格层3上生长gan后垒层4；包括：
67.s31、在氮化物超晶格层3上生长第一n型氮化物后垒层41；
68.s32、在第一n型氮化物后垒层41上生长第二氮化物后垒层42；包括：
69.s321、在第一n型氮化物后垒层41上生长第一n型氮化物后垒子层421；
70.s322、在第一n型氮化物后垒子层421上生长第二非掺杂氮化物后垒中间层422；
71.s323、在第二非掺杂氮化物后垒中间层422上生长第二p型氮化物后垒子层423；
72.s324、重复3次步骤s321-s323；
73.s33、在第二氮化物后垒层423上生长第三非掺杂氮化物后垒层43。
74.其中，上述第一n型氮化物后垒层41、第二氮化物后垒层42、第一n型氮化物后垒子层421、第二非掺杂氮化物后垒中间层422、第二p型氮化物后垒子层423、第三非掺杂氮化物
后垒层43中的氮化物都可以是gan。
75.具体地，在氮化物超晶格层3上生长厚度为120nm的第一n型gan后垒层41，si的掺杂浓度为5
×
10
17
cm-3
；生长2nm的第一n型氮化物后垒子层421；生长3nm的第二非掺杂氮化物后垒中间层422；生长1nm的第二p型gan后垒子层423。
76.其中，第一n型氮化物后垒层41和第一n型氮化物后垒子层421掺杂si，第二p型氮化物后垒子层423掺杂mg；n型的掺杂浓度为9
×
10
16
cm-3
，p型掺杂浓度2
×
10
17
cm-3
。
77.具体地，生长厚度为40nm的第三非掺杂gan后垒层43。
78.s4、在gan后垒层4上生长氮化物量子阱发光层5，包括周期性循环3次生长的ingan量子阱层51和gan量子垒层52，包括；
79.s41、在750℃条件下，在gan后垒层4上生长ingan量子阱层51；其中，ingan量子阱层51包括第一ingan量子阱层511和第二ingan量子阱层512；步骤包括：
80.s411、在gan后垒层4生长第一ingan量子阱层511；具体地，在n2氛围下，生长厚度为0.8nm的第一ingan量子阱层511；
81.s412、在第一ingan量子阱层511生长第二ingan量子阱层512；具体地，在n2氛围下，生长厚度为0.2nm第二ingan量子阱层512；
82.s413、中断第二ingan量子阱层生长512；具体地，通入h2，在n2和h2混合气氛中，n2:h2摩尔流量比100：1.5，中断第二ingan量子阱层512生长，维持2s；
83.s414、重复10次步骤s412和s413；其中，步骤s412中的生长时间和步骤s413中的中断时间比为9：1；
84.s42、在ingan量子阱层51上生长gan量子垒层52；具体地，在h2氛围内，980℃条件下生长厚度为10nm的gan量子垒层52。
85.s43、重复3次步骤s41和s42，得到氮化物量子阱发光层5；
86.s5、在氮化物量子阱发光层5上生长p型氮化物层6。具体地，在氮化物量子阱发光层5上，1050℃条件下，生长厚度150nm的p型gan层。
87.可选地，ingan量子阱层51厚度为1-3nm，第一ingan量子阱层511的厚度为0.5-1nm；第二ingan量子阱层512的厚度为0.5-2nm。
88.可选地，氮化物超晶格层包括周期性循环2-6次生长的1-3nm的ingan超晶格阱层31和2-4nm的gan超晶格垒层32。
89.可选地，步骤s412中的生长时间与步骤s413中的中断时间比为9:1-1:1。
90.可选地，步骤s413的生长气氛为n2和n2，n2:h2摩尔流量比100：1-100：5。
91.可选地，第一n型gan后垒层41的生长厚度为20-200nm，si的掺杂浓度为1
×
10
17
cm-3-8
×
10
17
cm-3
；步骤s324中，重复2-6次步骤s321-s323；第一n型gan后垒子层421的厚度为1-3nm；第二非掺杂gan后垒中间层422的厚度为2-5nm；第二p型gan后垒子层423的厚度为0.5-1.5nm。
92.本实施例的氮化物发光二极管外延片的制备方法通过氮化物量子阱层分段生长，并在每个循环周期的氮化物量子阱层后半段生长中周期性循环中断，以降低in的并入，在中断过程中，in充分迁移使得氮化物量子阱层内的原子重新分布，而多余的in原子从氮化物量子阱层表面解析，降低了后半段氮化物量子阱层in的并入，使得整个氮化物量子阱层in组分均匀分布，提高了氮化物量子阱层晶体质量，克服ingan量子阱层中的in组分随着厚
度的增加in原子的并入效率增加in组分的不均匀性的问题，提高了外延片发光效率。
93.同时，本实施例外延片结构中可以利用电容效应提高外延片抗静电释放(esd)性能，另一方面利用氮化物后垒层mg原子的引入提高氮化物后势垒层的晶格常数(in＞mg＞ga＞al＞si)，更加匹配氮化物量子阱发光层的晶格，特别是in与mg原子大小接近，因此，掺杂了mg原子的氮化物后垒层，能够更好地与ingan量子阱层的晶格匹配，为氮化物量子阱发光层生长提供基础。一方面提高氮化物量子阱发光层组分均匀性，提高外延片波长均匀性，另一方面在正向工作偏压下，第二p型氮化物后垒层与第一n型氮化物后垒层之间形成与外加正向偏压相同方向的电场，n型氮化物层提供的电子在向发光层注入前，可以形成了对电子向发光层注入的缓冲，降低氮化物发光层的晶格失配和生长应力，提高氮化物量子阱层中载流子分布均匀型，提高发光效率。
94.其中，第二非掺杂氮化物后垒中间层起到对第一n型氮化物后垒子层和第二p型氮化物后垒子层间隔作用；
95.第二非掺杂氮化物后垒层起到对第二p型氮化物后垒子层和氮化物发光层间隔作用，防止p型掺杂剂扩散到氮化物量子阱中。
96.实施例三
97.本实施例与实施例二不同之处在于步骤s414，重复10次步骤s412和s413；在步骤s414每个循环周期中，步骤s413中n2:h2摩尔流量比从100：1线性增加到100：3。
98.其中，随着循环周期的增加，会出现in原子的并入效率增加，n2:h2比例逐渐增加可以利用h2占比增加抑制in的并入效率，使得在所有循环周期内的in分布均匀。
99.对比例1
100.本对比例公开了一种氮化物发光二极管外延片的制备方法，其包括以下步骤：
101.s1、在衬底1上生长n型gan层2；具体地，在衬底1上，在温度1080℃条件下生长厚度为2.5μm的n型gan层2，si的掺杂浓度为2
×
10
18
cm-3
；
102.s2、在n型gan层2上生长氮化物超晶格层3；具体地，在n型gan层2上，在920℃条件下生长氮化物超晶格层，包括周期性循环3次生长的厚度为1.5nm的ingan超晶格阱层31和3nm的gan超晶格垒层32；
103.s3、在氮化物超晶格层3上生长gan后垒层4；具体地，氮化物超晶格层3上，在950℃条件下生长厚度为178nm的n型gan后垒层4，si的掺杂浓度为2
×
10
17
cm-3
；
104.s4、在gan后垒层4上生长氮化物量子阱发光层5，包括周期性循环3次生长的ingan量子阱层51和gan量子垒层52，包括；
105.s41、在750℃条件下，在gan后垒层4上生长ingan量子阱层51；包括：
106.s411、在gan后垒层4上，在n2氛围下，生长厚度为2.8nm的ingan量子阱层；
107.s42、在ingan量子阱层上生长gan量子垒层52；具体地，在h2氛围内，980℃条件下生长厚度为10nm的gan量子垒层52。
108.s43、重复3次步骤s41和s42，得到氮化物量子阱发光层5；
109.s5、在氮化物量子阱发光层5上生长p型氮化物层6。具体地，在氮化物量子阱发光层5上，1050℃条件下，生长厚度150nm的p型gan层。
110.通过光致发光pl光谱测试发现，相比对比例1，本发明实施例一外延片具有较佳的波长均匀性，波长std从对比例1的2.672nm降低到1.544nm，而实施例二具有较优的波长均
匀性，std为0.97nm，实施例三具有最优的波长均匀性，std为0.68nm，可以满足micro-led外延片对于波长均匀性的要求。
111.将实施例一、二、三和对比例1采用相同的芯片工艺，制备出相同规格(80μ*100μm)芯片，得到的性能参数如表1所示：可以看出实施例一、二、三的制备方法得到的外延片具有优良的亮度和电压性能；同时，外延片呈现较佳的esd和漏电特性。
[0112] 亮度(mw)电压(v)esd(％)漏电(％)实施例一12.92.869799实施例二13.22.879899实施例三13.32.889899对比例111.82.869796
[0113]
表1
[0114]
本实施例的氮化物发光二极管外延片的制备方法通过氮化物量子阱层分段生长，并在每个循环周期的氮化物量子阱层后半段生长中周期性循环中断，以降低in的并入，在中断过程中，in充分迁移使得氮化物量子阱层内的原子重新分布，而多余的in原子从氮化物量子阱层表面解析，降低了后半段氮化物量子阱层in的并入，使得整个氮化物量子阱层in组分均匀分布，提高了氮化物量子阱层晶体质量，克服ingan量子阱层中的in组分随着厚度的增加in原子的并入效率增加in组分的不均匀性的问题，提高了外延片发光效率。
[0115]
同时，本实施例外延片结构中可以利用电容效应提高外延片抗静电释放(esd)性能，另一方面利用氮化物后垒层mg原子的引入提高氮化物后势垒层的晶格常数(in＞mg＞ga＞al＞si)，更加匹配氮化物量子阱发光层的晶格，为氮化物量子阱发光层生长提供基础。一方面提高氮化物量子阱发光层组分均匀性，提高外延片波长均匀性，另一方面在正向工作偏压下，第二p型氮化物后垒层与第一n型氮化物后垒层之间形成与外加正向偏压相同方向的电场，n型氮化物层提供的电子在向发光层注入前，可以形成了对电子向发光层注入的缓冲，降低氮化物发光层的晶格失配和生长应力，提高氮化物量子阱层中载流子分布均匀型，提高发光效率。
[0116]
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。