一种发光二极管的外延片及其制备方法与流程

本发明涉及光电子制造技术领域，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：

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。

LED的核心结构是外延片，外延片包括衬底、缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层、N型层、有源层和P型层。成核层在生长未掺杂氮化镓层和N型层时会产生平行于衬底表面向内的应力而使衬底变凹，并在生长有源层时产生相反的应力使衬底逐渐变平，从而降低外延片的翘曲度。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层均为非掺杂结构，不利于电流扩展，导致外延片的正向电压较高，进而导致LED的能耗增大、发热量增加、寿命缩短。

技术实现要素：

为了解决外延片的正向电压较高的问题，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，所述外延片包括依次层叠的衬底、缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层、N型层、有源层和P型层，所述成核层包括层叠的多层N型Al_xGa_1-xN层，其中，0≤X≤1，各层所述N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度不变，多层所述N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向连续变化。

优选地，多层所述N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向增大。

进一步地，多层所述N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向减小。

可选地，多层所述N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向先增大后减小。

优选地，多层所述N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向先减小后增大。

可选地，所述成核层还包括多层N型GaN层，所述N型GaN层与所述N型Al_xGa_1-xN层交替层叠。

优选地，所述成核层的厚度大于或等于200nm。

另一方面，本发明实施例还提供了一种外延片的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次外延生长缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层、N型层、有源层和P型层，所述成核层包括层叠的多层N型Al_xGa_1-xN层，其中，0≤X≤1，各层所述N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度不变，多层所述N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿所述外延片的层叠方向连续变化。

进一步地，所述成核层还包括多层N型GaN层，所述N型GaN层与所述N型Al_xGa_1-xN层交替层叠。

优选地，所述成核层的生长温度高于或等于1000℃。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过成核层包括层叠的多层N型Al_xGa_1-xN层，且各层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度不变，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿外延片的层叠方向连续变化，有利于电流的扩展，降低了外延片的电阻，进而降低外延片的正向电压，减少LED的能耗和发热量，延长使用寿命。

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图；

图2是本发明实施例提供的一种成核层的结构图；

图3是本发明实施例提供的一种成核层的掺杂浓度示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种成核层的掺杂浓度示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种成核层的掺杂浓度示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种成核层的掺杂浓度示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种成核层的结构图；

图8是本发明实施例提供的一种外延片的制备方法流程图；

图9是本发明实施例提供的另一种外延片的制备方法流程图。

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。

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，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图，如图1所示，该外延片包括依次层叠的衬底10、缓冲层20、成核层30、未掺杂氮化镓层40、N型层50、有源层60和P型层70，图2是本发明实施例提供的一种成核层的结构图，如图2所示，成核层包括层叠的多层N型Al_xGa_1-xN层(如图2中的N型Al_xGa_1-xN层31、32、33、34)，其中，0≤X≤1，各层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度不变，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿外延片的层叠方向连续变化。

本发明实施例通过成核层包括层叠的多层N型Al_xGa_1-xN层，且各层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度不变，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿外延片的层叠方向连续变化，有利于电流的扩展，降低了外延片的电阻，进而降低外延片的正向电压，减少LED的能耗和发热量，延长使用寿命。

实现时，衬底10可以选用蓝宝石衬底。

需要说明的是，在其他实施例中还可以选用其他衬底，例如碳化硅衬底，本发明并不以此为限。

在本发明的一种实施方式中，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度在外延生长的方向上逐层递增，通过控制多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度在外延生长的方向上梯度变化，从而可以逐层释放晶格应力，改善成核层的晶体质量。

具体地，图3是本发明实施例提供的一种成核层的掺杂浓度示意图，如图3所示，图2中的N型Al_xGa_1-xN层31的掺杂浓度为C₃₁，N型Al_xGa_1-xN层32的掺杂浓度为C₃₂，N型Al_xGa_1-xN层33的掺杂浓度为C₃₃，N型Al_xGa_1-xN层34的掺杂浓度为C₃₄，0＜C₃₁＜C₃₂＜C₃₃＜C₃₄。

图4是本发明实施例提供的另一种成核层的掺杂浓度示意图，如图4所示，在本发明的另一种实施方式中，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度在外延生长的方向上还可以逐层递减，即C₃₁＞C₃₂＞C₃₃＞C₃₄＞0。通过控制多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度在外延生长的方向上梯度变化，从而可以逐层释放晶格应力，改善成核层的晶体质量。

此外，图5是本发明实施例提供的另一种成核层的掺杂浓度示意图，如图5所示，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度在外延生长的方向上还可以逐层先增后减，即0＜C₃₁＜C₃₂＜C₃₃，且C₃₃＞C₃₄＞0。

图6是本发明实施例提供的另一种成核层的掺杂浓度示意图，如图6所示，在本发明的另一种实施方式中，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度在外延生长的方向上还可以逐层先减后增，即C₃₁＞C₃₂＞C₃₃＞0，且C₃₃＜C₃₄。

需要说明的是，虽然图2中显示的成核层包括4层N型Al_xGa_1-xN层，在其他实施例中，N型Al_xGa_1-xN层的层数也可以大于或小于4，本发明并不以此为限。

图7是本发明实施例提供的另一种成核层的结构图，如图7所示，成核层30还包括多层N型GaN层(如图7中的N型GaN层35、36、37、38)，多层N型GaN层与多层N型Al_xGa_1-xN层交替层叠，多层N型GaN层的层数与多层N型Al_xGa_1-xN层的层数可以相同，通过设置交替的N型GaN层和N型Al_xGa_1-xN层，可以进一步降低外延片中的晶格失配，提高晶体质量，释放晶格失配所产生的应力。

需要说明的是，图7中所示的成核层30中，N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度在外延生长的方向上可以是逐层递增、逐层递减、逐层先增后减或逐层先减后增。

可选地，成核层30的厚度大于或等于200nm，成核层30厚度太薄则无法有效降低外延片内的应力，从而使得外延片翘曲度较大，晶格失配度高，降低了外延片的晶格质量。

优选地，成核层30的厚度为200nm～500nm，成核层30厚度过厚会造成电阻过大，从而导致电压偏高。

优选地，成核层30中N型GaN层与N型Al_xGa_1-xN层交替层叠的周期数为3～6。周期数过小，则释放应力的效果十分有限，无法充分释放晶格失配所产生的应力；周期数过大，则会造成成核层30的总厚度增加，从而导致成核层30电阻增大，电压偏高。

进一步地，若采用保持成核层30的总厚度不变，而降低单层N型Al_xGa_1-xN层和N型GaN层的厚度的方法来增加周期数，则会由于单层N型Al_xGa_1-xN层和N型GaN层的厚度过薄而难以加工，导致加工成本上升。

需要说明的是，虽然图7中显示的成核层30中N型GaN层与N型Al_xGa_1-xN层交替层叠的周期数为4，在其他实施例中，成核层30中N型GaN层与N型Al_xGa_1-xN层交替层叠的周期数为也可以大于或小于4，本发明并不以此为限。

本发明实施例还提供了一种外延片的制备方法，图8是本发明实施例提供的一种外延片的制备方法流程图，如图8所示，该制备方法包括：

S11：提供一衬底。

本实施例中，选用蓝宝石衬底。

S12：在衬底上依次外延生长缓冲层、成核层、未掺杂氮化镓层、N型层、有源层和P型层，成核层包括层叠的多层N型Al_xGa_1-xN层，其中，0≤X≤1，各层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度不变，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿外延片的层叠方向连续变化。

本发明实施例通过成核层包括层叠的多层N型Al_xGa_1-xN层，且各层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度不变，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度沿外延片的层叠方向连续变化，有利于电流的扩展，降低了外延片的电阻，进而降低外延片的正向电压，减少LED的能耗和发热量，延长使用寿命。

图9是本发明实施例提供的另一种外延片的制备方法流程图，如图9所示，该制备方法包括：

S21：提供一衬底。

实现时，可以选用蓝宝石衬底。

需要说明的是，在其他实施例中还可以选用其他衬底，例如碳化硅衬底，本发明并不以此为限。

具体地，可以将蓝宝石衬底在MOCVD(Meta1Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)反应腔中加热至1060℃，在氢气气氛里对蓝宝石衬底进行退火处理以及氮化处理10分钟，以对衬底表面进行清理。

S22：在衬底上外延生长缓冲层。

具体地，生长缓冲层时，控制温度为500～650℃，压力为300～760Torr，V/III摩尔比为500～3000，缓冲层的厚度为15～30nm。

需要说明的是，V/III摩尔比表示五族元素与三族元素的摩尔比，例如，若缓冲层为GaN，镓元素与氮元素的摩尔比为500～3000。

S23：在缓冲层上外延生长成核层。

实现时，该成核层还可以包括多层N型GaN层，N型GaN层与N型Al_xGa_1-xN层交替层叠，通过设置交替的N型GaN层和N型Al_xGa_1-xN层，可以进一步降低外延片中由于晶格失配而造成的晶体质量差，释放晶格失配所产生的应力。

具体地，在缓冲层上交替生长多层N型Al_xGa_1-xN层和多层N型GaN层，多层N型GaN层的层数与多层N型Al_xGa_1-xN层的层数可以相同。

优选地，成核层中N型GaN层与N型Al_xGa_1-xN层交替层叠的周期数为3～6。周期数过小，则释放应力的效果十分有限，无法充分释放晶格失配所产生的应力；周期数过大，则会造成成核层的总厚度增加，从而导致成核层电阻增大，电压偏高。

需要说明的是，N型GaN层和N型Al_xGa_1-xN层各层的厚度与周期数无关。如果保持成核层的总厚度不变，降低单层N型Al_xGa_1-xN层和N型GaN层的厚度以增加周期数，则会由于单层N型Al_xGa_1-xN层和N型GaN层的厚度过薄而难以加工，导致加工成本上升。

其中，多层N型Al_xGa_1-xN层的掺杂浓度在外延生长的方向上可以逐层递增、逐层递减、逐层先增后减或逐层先减后增。

可选地，成核层的生长温度高于或等于1000℃，成核层在1000℃以上的温度下生长，晶体的质量较好，有利于降低晶格失配度。

优选地，成核层的生长温度为1000℃～1200℃，温度过高则可能会损坏衬底。

进一步地，生长成核层时，控制温度为1000～1200℃，压力为400～600Torr，V/III摩尔比为300～1000，成核层的厚度可以为200～500nm。成核层的厚度太薄则无法有效降低外延片内的应力，从而使得外延片翘曲度较大，晶格失配度高，降低了外延片的晶格质量；成核层的厚度过厚则会造成电阻过大，从而导致电压偏高。

S24：在成核层上外延生长未掺杂氮化镓层。

具体地，生长未掺杂氮化镓层时，控制温度为1000～1200℃，压力为30～500Torr，V/III摩尔比为300～3000，未掺杂氮化镓层的厚度为50～500nm。

S25：在未掺杂氮化镓层上外延生长N型层。

具体地，生长N型层时，控制温度为1000～1200℃，压力为50～760Torr，V/III摩尔比为300～3000，N型层的厚度为3um-4um。

S26：在N型层上外延生长有源层。

具体地，生长有源层时，控制温度为720～820℃，压力为200～400Torr，V/III摩尔比为300～5000，有源层的厚度为400～500nm。

S27：在有源层上外延生长P型层。

具体地，生长P型层时，控制温度为850～1050℃，压力为100～760Torr，V/III摩尔比为1000～20000，P型层的厚度为50～800nm。

此外，在P型层生长完成后，可以先将反应腔的温度降低至650～850℃，在纯氮气氛围中退火处理5～15min，再将反应腔的温度降至室温，结束外延片的生长，此后即可对外延片进行清洗、沉积、光刻和刻蚀等其他半导体加工工艺。

可选地，镓源可以为三甲基镓或三乙基镓，氮源可以为高纯度的NH₃，铟源可以为三甲基铟，铝源可以为三甲基铝，N型掺杂可以选用硅烷，P型掺杂可以选用二茂镁。

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。