一种发光二极管的外延片及制备方法与流程

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制备方法。

背景技术：

led(lightemittingdiode，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。

现有的led主要包括衬底和依次层叠在衬底上的u-gan层、n型层、发光层、电子阻挡层和p型层，电子阻挡层用于阻挡电子，避免电子溢流到p型层，p型层通常采用mg掺杂，用于提供空穴。

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：

获得高亮度的发光二极管，关键要提高载流子的浓度。载流子包括空穴和电子，在现有技术中，电子的浓度已经可以达到比较高的水平，但是空穴的浓度仍然难以提高。空穴的浓度与掺杂的mg的浓度和mg的激活率有关，由于难以向p型层中掺杂高浓度的mg，而mg的激活能又很高，会导致mg的激活率很低，因此p型层中难以提供高浓度的空穴，从而使得led的发光效率受到限制。

技术实现要素：

为了解决现有led中p型层难以提供高浓度的空穴导致的led发光效率低的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及制备方法。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u-gan层、n型层、发光层、电子阻挡层和p型层，所述电子阻挡层包括交替层叠设置的至少2层高温子层和至少2层低温子层，所述高温子层为alxga1-xn层或inalxga1-xn层，所述低温子层为p-gan层，所述高温子层的生长温度高于所述低温子层的生长温度，所述低温子层的掺杂元素为mg，其中，0＜x＜1。

优选地，每层所述高温子层的厚度为2～20nm。

优选地，每层所述低温子层的厚度为2～20nm。

可选地，任意相邻的所述高温子层中的al组分含量相同或不同。

优选地，0＜x＜0.3。

优选地，所述外延片还包括p型接触层，所述p型接触层设置在所述p型层的远离所述电子阻挡层的一侧。

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u-gan层、n型层、发光层、电子阻挡层和p型层，所述电子阻挡层包括交替层叠设置的至少2层高温子层和至少2层低温子层，所述高温子层为alxga1-xn层或inalxga1-xn层，所述低温子层为p-gan层，所述高温子层的生长温度高于所述低温子层的生长温度，所述低温子层的掺杂元素为mg，其中，0＜x＜1。

可选地，所述高温子层的生长温度为800～1100℃。

可选地，所述低温子层的生长温度为700～1000℃。

可选地，任意一层所述高温子层的生长温度比任意一层所述低温子层的生长温度高至少50℃。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过将电子阻挡层设置为包括交替层叠设置的至少2层高温子层和至少2层低温子层的形式，其中高温子层为alxga1-xn层或inalxga1-xn层，低温子层为p-gan层，alxga1-xn层或inalxga1-xn层的势垒比发光层的势垒高，从而可以阻挡电子，避免电子的溢流，同时由于低温子层的掺杂元素为mg，且高温子层的生长温度高于低温子层的生长温度，因此在反应腔中进行外延片生长时，在生长高温子层前，会对反应腔进行一次加热，在完成一层高温子层的生长后又会对反应腔进行一次降温，该过程相当于对在生长该层高温子层之前的低温子层进行退火，在交替生长高温子层和低温子层的过程中，低温子层经过多次退火，有利于提高低温子层中的mg的激活率，这样可以通过低温子层提供一定数量的空穴，使得总的空穴浓度得到提升，从而提高了led的发光效率。

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电子阻挡层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的电子阻挡层的能带结构示意图；

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电子阻挡层的能带结构示意图；

图5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流程图；

图6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7～14是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片制备过程示意图。

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图。如图1所示，该外延片包括衬底10和依次层叠在衬底10上的u-gan层40、n型层50、发光层60、电子阻挡层70和p型层80。

图2是本发明实施例提供的一种电子阻挡层的结构示意图。如图2所示，电子阻挡层70包括交替层叠设置的至少2层高温子层71和至少2层低温子层72，高温子层71为alxga1-xn层或inalxga1-xn层，低温子层72为p-gan层，高温子层71的生长温度高于低温子层72的生长温度，低温子层72的掺杂元素为mg，其中，0＜x＜1。

需要说明的是，图2仅为示例，并不用以限制高温子层71和低温子层72的层数。

本发明实施例通过将电子阻挡层设置为包括交替层叠设置的至少2层高温子层和至少2层低温子层的形式，其中高温子层为alxga1-xn层或inalxga1-xn层，低温子层为p-gan层，alxga1-xn层或inalxga1-xn层的势垒比发光层的势垒高，从而可以阻挡电子，避免电子的溢流，同时由于低温子层的掺杂元素为mg，且高温子层的生长温度高于低温子层的生长温度，因此在反应腔中进行外延片生长时，在生长高温子层前，会对反应腔进行一次加热，在完成一层高温子层的生长后又会对反应腔进行一次降温，该过程相当于对在生长该层高温子层之前的低温子层进行退火，在交替生长高温子层和低温子层的过程中，低温子层经过多次退火，有利于提高低温子层中的mg的激活率，这样可以通过低温子层提供一定数量的空穴，使得总的空穴浓度得到提升，从而提高了led的发光效率。

优选地，0＜x＜0.3。若x的数值过大，则高温子层71的al的组分含量会过高，会导致高温子层71的晶体质量变差，高温子层71的应力过大，更优选x＝0.2。

实现时，每层高温子层71的厚度可以为2～20nm，若高温子层71的厚度过薄，则电子比较容易穿过高温子层71，若高温子层71过厚，会增加高温子层71对光的吸收，导致亮度降低。

实现时，每层低温子层72的厚度可以为2～20nm，若低温子层72的厚度过薄，会增大制作的难度，若低温子层72过厚，会增加低温子层72对光的吸收，导致亮度降低。

需要说明的是，高温子层71的厚度和低温子层72的厚度可以相等也可以不等，本发明并不依次为限。

此外，相邻的高温子层71的厚度可以相等也可以不等。

在本发明的一种实施例中，高温子层71的厚度沿从靠近发光层60一侧向远离发光层60一侧逐层降低。

在本发明的另一种实施例中，高温子层71的厚度沿从靠近发光层60一侧向远离发光层60一侧逐层升高。

可选地，任意相邻的高温子层71中的al组分含量可以相同也可以不同。

优选地，高温子层71的层数为8～10层，低温子层72的层数为8～10层，若高温子层71和低温子层72的层数过少则会降低对电子的阻挡作用，若高温子层71和低温子层72的层数过多则会增大制作难度，且在单层高温子层71和低温子层72的厚度一定的情况下，会导致电子阻挡层70的厚度增大，从而增大外延片的正向电阻，并增加对发光层60发出的光线的吸收量，导致亮度降低。

实现时，高温子层71和低温子层72的层数可以相等也可以不等，当高温子层71和低温子层72的层数不相等时，高温子层71和低温子层72的层数差为1。

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的电子阻挡层的能带结构示意图。图中的a表示各层高温子层71的能带，如图3所示，各层高温子层71的能带高度相同。通过使各层高温子层71中的al组分含量相同，从而使得各层高温子层71的能带高度相同。

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电子阻挡层的能带结构示意图。图中的b表示各层高温子层71的能带，如图4所示，各层高温子层71的能带高度逐层降低。通过使各高温子层71中的al组分含量沿从靠近发光层60一侧向远离发光层60一侧逐层降低，可以使得各层高温子层71的能带高度逐层降低。

在本发明的另一种实施例中，高温子层71中的al组分含量还可以沿从靠近发光层60一侧向远离发光层60一侧逐层升高。

实现时，衬底10可以为蓝宝石衬底。

如图1所示，外延片还可以包括缓冲层20，缓冲层20设置在衬底10和u-gan层40之间，通过设置缓冲层20可以为外延片的后续生长提供模版，从而减少外延片中的晶格缺陷，提高晶体质量。

可选地，缓冲层20可以为gan缓冲层，缓冲层20还可以掺杂，掺杂浓度可以为6e17cm^-3～2e18cm^-3，掺杂杂质可以为硅元素，以降低缓冲层的电阻，从而有利于降低led的正向电压，提高抗静电性。

优选地，缓冲层20的掺杂浓度可以为1e18cm^-3。若缓冲层20的掺杂浓度过小，会造成缓冲层20电阻过大，使得电压偏高；若掺杂浓度过大，则会影响晶格质量，降低led亮度。

gan缓冲层的厚度可以为20nm～40nm，生长的gan缓冲层的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若gan缓冲层的厚度过薄，则会导致gan缓冲层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缓冲层厚度的增加，gan缓冲层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缓冲层的厚度过厚，则会导致gan缓冲层的表面过于致密，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。

优选地，外延片还可以包括布拉格反射层30，布拉格反射层30设置在缓冲层20上，通过设置布拉格反射层30，可以将发光层60发出的光向p型层80一侧反射，以提高led的亮度。

实现时，n型层50可以为n型gan层，厚度可以为3～5μm，n型gan层中的载流子浓度可以为5e18cm^-3～1e19cm^-3。

可选地，u-gan层40的厚度可以为2μm～4μm，若u-gan层40的厚度过薄，会增加后续生长的结构中的位错密度，u-gan层40的厚度过厚，会增大外延片的正向电阻。

可选地，发光层60可以包括交替层叠的多层量子阱层和多层量子垒层，其中，每一层量子阱层的厚度可以为2～3nm，每一层量子垒层的厚度可以为10～20nm。

具体地，量子阱层可以为ingan层，量子垒层可以为gan层。

可选地，量子阱层和量子垒层交替层叠的周期数可以为7～15。

可选地，每一层量子阱层61的厚度可以为2～3nm，每一层量子垒层62的厚度可以为10～20nm。由于量子阱层中的in会扩散，如果量子垒层过薄，则无法阻挡量子阱层的in的扩散，可能造成量子阱层间的耦合，如果量子垒层的厚度过厚，会使得空穴不易进入到量子阱层中。量子垒层的厚度还会影响电子和空穴的迁移和晶体质量。在量子垒层的厚度增加时，可以提高晶体质量，但会增加对电子和空穴的阻挡作用，对空穴的阻挡更加明显，这会使得没有足够的电子和空穴在量子阱层中复合发光，导致发光二极管的发光效率降低，如果量子垒层厚度减少，会降低晶体质量，导致抗静电性能差。

实现时，p型层80可以为p型gan层，p型gan层的厚度可以为50～100nm，p型gan层中的载流子浓度可以为5e18cm^-3～1e19cm^-3。

可选地，外延片还可以包括p型接触层90，p型接触层90设置在p型层80的远离电子阻挡层70的一侧，p型接触层90有利于外延片与电极之间形成良好的欧姆接触。

图5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流程图。如图5所示，该制备方法包括：

s11：提供一衬底。

本实施例中，该衬底可以是蓝宝石衬底。

s12：在衬底上依次外延生长u-gan层、n型层、发光层、电子阻挡层和p型层。

其中，电子阻挡层包括交替层叠设置的至少2层高温子层和至少2层低温子层，高温子层为alxga1-xn层或inalxga1-xn层，低温子层为p-gan层，高温子层的生长温度高于低温子层的生长温度，低温子层的掺杂元素为mg，0＜x＜1。

本发明实施例通过将电子阻挡层设置为包括交替层叠设置的至少2层高温子层和至少2层低温子层的形式，其中高温子层为alxga1-xn层或inalxga1-xn层，低温子层为p-gan层，alxga1-xn层或inalxga1-xn层的势垒比发光层的势垒高，从而可以阻挡电子，避免电子的溢流，同时由于低温子层的掺杂元素为mg，且高温子层的生长温度高于低温子层的生长温度，因此在反应腔中进行外延片生长时，在生长高温子层前，会对反应腔进行一次加热，在完成一层高温子层的生长后又会对反应腔进行一次降温，该过程相当于对在生长该层高温子层之前的低温子层进行退火，在交替生长高温子层和低温子层的过程中，低温子层经过多次退火，有利于提高低温子层中的mg的激活率，这样可以通过低温子层提供一定数量的空穴，使得总的空穴浓度得到提升，从而提高了led的发光效率。

图6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7～14对图6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7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。

s23：在缓冲层上生长布拉格反射层。

如图8所示，在gan缓冲层20上生长布拉格反射层30。通过设置布拉格反射层30，可以提高led的亮度。

s24：在布拉格反射层上生长u-gan层。

如图9所示，在布拉格反射层30上生长u-gan层40。

实现时，u-gan层40的厚度可以为2μm～4μm，若u-gan层40的厚度过薄，会增加后续生长的结构中的位错密度，u-gan层40的厚度过厚，会增大外延片的正向电阻。

具体地，生长u-gan层40时，可以控制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-gan层40的生长温度可以为1000～1200℃，生长压力可以为300～600mbar。

s25：在u-gan层上生长n型层。

如图10所示，在u-gan层40上生长n型gan层50。

实现地，n型gan层50的厚度可以为3～5μm。

进一步地，生长n型gan层50时，可以控制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。

可选地，n型gan层50中的载流子浓度可以为5e18cm^-3～1e19cm^-3。

s26：在n型层上生长发光层。

如图11所示，在n型gan层50上生长发光层60。

具体地，发光层60的厚度可以为150nm～200nm。

实现时，发光层60可以包括交替层叠的多层量子阱层61和多层量子垒层62，量子阱层61和量子垒层62交替层叠的周期数可以为7～15。

需要说明的是，图11仅为示例，并不用以限制量子阱层61和量子垒层62的层数。

实现时，量子阱层61可以为ingan层，量子垒层62可以为gan层。

具体地，生长ingan层时，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，n2的流量为100～130l/min。

ingan层的生长温度可以为700～750℃，生长压力可以为300～400mbar。

生长gan层时，可以控制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。

gan层的生长温度可以为750～850℃，生长压力可以为300～400mbar。

s27：在发光层上生长电子阻挡层。

如图12所示，在发光层60上生长电子阻挡层70。

具体地，步骤s27可以包括：

生长高温子层71；

生长低温子层72；

重复数次高温子层71和低温子层72的生长，以完成电子阻挡层70的生长。

其中，高温子层71可以为alxga1-xn层或inalxga1-xn层，低温子层72可以为p-gan层，0＜x＜1。

需要说明的是，图12中仅示出了电子阻挡层70的部分结构，并不用以限制高温子层71和低温子层72的层数。

可选地，高温子层71的生长温度可以为800～1100℃。在较高的温度下生长高温子层，可以有利于提高alxga1-xn层或inalxga1-xn层的晶体质量，提高对电子的阻挡能力。

可选地，低温子层72的生长温度可以为700～1000℃。较低的生长温度有利于mg的掺杂，可以提高p-gan层中mg的掺杂浓度。

需要说明的是，在生长电子阻挡层70时，可以先在发光层60上生长一层高温子层71，再在高温子层71上生长一层低温子层72，之后再重复高温子层71和低温子层72的生长，通过使高温子层71与发光层60紧邻，可以有利于高温子层71对电子的阻挡。此外也可以在发光层60上先生长低温子层72，再生长高温子层71。

优选地，在生长电子阻挡层70时，先在发光层60上生长高温子层71，以减少进入低温子层72的电子。

在生长有至少一层低温子层72之后，在生长高温子层71时，需要将反应腔加热至800～1100℃，在完成一层高温子层71的生长，进行下一层低温子层72的生长时，需要待反应腔的温度降低至700～1000℃，一次加热和一次降温过程相当于对已经长成的低温子层72进行了退火，对低温子层72进行退火有利于提高低温子层72中mg的激活率，从而使低温子层72可以提供一定浓度的空穴。

优选地，任意一层高温子层71的生长温度比任意一层低温子层72的生长温度高至少50℃，优选为80℃。若高温子层71和低温子层72的生长温度相差太小，则退火的作用不明显。

s28：在电子阻挡层上生长p型层。

如图13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50～100nm。

进一步地，生长p型gan层80时，可以控制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1000～2000sccm。

可选地，p型gan层80中的载流子浓度可以为5e18cm^-3～1e19cm^-3。

s29：在p型层上生长p型接触层。

如图14所示，在p型gan层80上生长p型接触层90。

具体地，p型接触层90的厚度可以为10～100nm。p型接触层90有利于外延片与电极之间形成欧姆接触。

在完成步骤s29后还可以对外延片进行后续加工，以完成led芯片的制作。

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。