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主要包括衬底以及依次层叠在衬底上的n型层、有源层、电子阻挡层和p型层。在algainp基led的外延片中，电子阻挡层为alinp层。

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：

由于alinp材料的禁带宽度与有源层的禁带宽度相差比较小，因此，电子阻挡层对电子的阻挡能力比较弱，电子很容易穿过电子阻挡层而进入到p型层中，从而使得电子在p型层中与空穴复合，降低了电子与空穴在有源层中复合的比例，导致发光效率降低。同时由于p型层与有源层之间只设置有电子阻挡层，p型层中的mg容易扩散至有源层中，因此会进一步导致发光效率的降低。

技术实现要素：

为了解决现有的algainp基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以及依次层叠在所述衬底上的n型层、有源层、第一电子阻挡层、第二电子阻挡层和p型层，所述第一电子阻挡层为alxga(1-x)inp层，所述第二电子阻挡层为alyin(1-y)p层，所述第一电子阻挡层中的al的组分从靠近所述有源层一侧向远离所述有源层一侧逐渐增加，其中，0＜x≤1，0＜y≤1。

优选地，0.65≤x≤1。

进一步地，0.6≤y≤0.7。

可选地，所述第一电子阻挡层的厚度为50～100nm。

可选地，所述第二电子阻挡层的厚度为10～20nm。

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n型层、有源层、第一电子阻挡层、第二电子阻挡层和p型层，所述第一电子阻挡层为alxga(1-x)inp层，所述第二电子阻挡层为alyin(1-y)p层，所述第一电子阻挡层中的al的组分从靠近所述有源层一侧向远离所述有源层一侧逐渐增加，其中，0＜x≤1，0＜y≤1。

优选地，所述第一电子阻挡层的生长速度为0.45～0.55nm/s。

进一步地，所述第二电子阻挡层的生长速度为0.45～0.55nm/s。

可选地，所述第一电子阻挡层的生长温度为670～685℃。

可选地，所述第二电子阻挡层的生长温度为670～685℃。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在外延片中设置第一电子阻挡层和第二电子阻挡层，由于第一电子阻挡层中的al的组分从靠近有源层一侧向远离有源层一侧逐渐增加，因此第一电子阻挡层的禁带宽度逐渐提高，使得第一电子阻挡层的禁带宽度与有源层的禁带宽度之间的差值增大，从而可以增强对电子的限制作用，同时由于第一电子阻挡层中的al组分逐渐增大，因此第一电子阻挡层中的应力也逐渐变大，可以避免应力骤变导致的外延片破裂甚至无法生长的情况。第二电子阻挡层也可以对电子进行阻挡，减少电子进入到p型层中的数量，从而提高了发光效率。同时第一电子阻挡层和第二电子阻挡层设置在有源层和p型层之间，可以减缓mg向有源层中的扩散，同时第一电子阻挡层中的al组分逐渐增大，使得第一电子阻挡层的折射率逐渐降低，从而形成光波导，有利于光线沿着第一电子阻挡层向p型层一侧传播，减少反射回发光层一侧的光，从而提高出光率。

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外延片的有源层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的能带结构示意图；

图4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5是本发明实施例提供的另一种发光二极管的制备方法的流程图；

图6～13是本发明实施例提供的一种发光二极管的制备过程示意图。

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以及依次层叠在衬底10上的n型层20、有源层30、第一电子阻挡层40、第二电子阻挡层50和p型层60。第一电子阻挡层40为alxga(1-x)inp层，第二电子阻挡层50为alyin(1-y)p层，第一电子阻挡层40中的al的组分从靠近有源层30一侧向远离有源层30一侧逐渐增加，其中，0＜x≤1，0＜y≤1。

本发明实施例通过在外延片中设置第一电子阻挡层和第二电子阻挡层，由于第一电子阻挡层中的al的组分从靠近有源层一侧向远离有源层一侧逐渐增加，因此第一电子阻挡层的禁带宽度逐渐提高，使得第一电子阻挡层的禁带宽度与有源层的禁带宽度之间的差值增大，从而可以增强对电子的限制作用，同时由于第一电子阻挡层中的al组分逐渐增大，因此第一电子阻挡层中的应力也逐渐变大，可以避免应力骤变导致的外延片破裂甚至无法生长的情况。第二电子阻挡层也可以对电子进行阻挡，减少电子进入到p型层中的数量，从而提高了发光效率。同时第一电子阻挡层和第二电子阻挡层设置在有源层和p型层之间，可以减缓mg向有源层中的扩散，同时第一电子阻挡层中的al组分逐渐增大，使得第一电子阻挡层的折射率逐渐降低，从而形成光波导，有利于光线沿着第一电子阻挡层向p型层一侧传播，减少反射回发光层一侧的光，从而提高出光率。

可选地，第一电子阻挡层40中的al的组分从靠近有源层30一侧向远离有源层30一侧阶梯性增加或线性增加。

优选地，第一电子阻挡层40中的al的组分从靠近有源层30一侧向远离有源层30一侧线性增加，从而可以使得第一电子阻挡层中的应力缓慢增大，避免出现应力骤变的情况，且al组分线性增加相比于阶梯性增加更利于生长控制。

可选地，0.65≤x≤1。若x的数值过小，则al的组分过低，会使得第一电子阻挡层40的禁带宽度过小，从而导致对电子的阻挡能力降低。

实现时，第一电子阻挡层40的厚度可以为50～100nm，若第一电子阻挡层40的厚度过薄，则电子比较容易穿过第一电子阻挡层40，若第一电子阻挡层40过厚，会增加第一电子阻挡层40对光的吸收，导致亮度降低。

可选地，0.6≤y≤0.7。若y的数值过小，则al的组分过低，会使得对电子的阻挡能力降低，若y的数值过大，则al的组分会过高，会影响空穴的传输，更优选y＝0.65。

实现时，第二电子阻挡层50的厚度可以为10～20nm，若第二电子阻挡层50的厚度过薄，则电子比较容易穿过第二电子阻挡层50，若第二电子阻挡层50过厚，会增加第二电子阻挡层50对光的吸收，导致亮度降低。

可选地，衬底10可以选用2寸或4寸的100面偏向《111》a+5°gaas衬底。

优选地，外延片还可以包括缓冲层70，缓冲层70设置在衬底10和n型层20之间，通过设置缓冲层70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70可以为gaas缓冲层，缓冲层70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。

优选地，缓冲层70的掺杂浓度可以为1e18cm^-3。若缓冲层的掺杂浓度过小，会造成缓冲层电阻过大，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。

gaas缓冲层的厚度可以为150nm～300nm，生长的gaas缓冲层的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若gaas缓冲层的厚度过薄，则会导致gaas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gaas缓冲层厚度的增加，gaas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gaas缓冲层的厚度过厚，则会导致gaas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80，布拉格反射层80设置在缓冲层70上，通过设置布拉格反射层80，可以将有源层发出的光向p型层一侧反射，提高led的亮度。

可选地，布拉格反射层80可以包括交替层叠设置的alas层81和algaas层82，通过设置多层结构的布拉格反射层，可以增强对光线的反射作用，进一步提高led的亮度。

需要说明的是，图1中仅显示出了布拉格反射层80的部分结构，并不用以限制alas层81和algaas层82的层数。

进一步地，布拉格反射层80可以掺杂，掺杂浓度可以为4e18～6e18cm^-3，掺杂杂质可以为硅元素。

可选地，布拉格反射层80的厚度可以为90～100nm，alas层81和algaas层82的层数之和可以为30～60。

此外，每一层alas层81的厚度和每一层algaas层82的厚度可以根据所要反射的光的波长进行调整，以使布拉格反射层80可以反射合适波长的光。

实现时，n型层20可以为n型alinp层，厚度可以为250～350nm，n型alinp层中的载流子浓度可以为1e18～2e18cm^-3。

图2是本发明实施例提供的一种外延片的有源层的结构示意图。如图2所示，有源层30可以包括交替层叠的多层量子阱层31和多层量子垒层32，其中，每一层量子阱层31的厚度可以为3～5nm，每一层量子垒层32的厚度可以为5～7nm。

需要说明的是，量子阱层31和量子垒层32均为algainp层，但量子阱层31和量子垒层32中al和in的组分不同。

实现时，p型层60可以为p型alinp层，p型alinp层的厚度可以为250～350nm，p型alinp层中的载流子浓度可以为7e17～9e17cm^-3。

可选地，外延片还可以包括电流扩展层90，电流扩展层90设置在p型层60上。实现时电流扩展层90可以为p型gap层。

优选地，电流扩展层90的掺杂浓度可以为2e18～5e18cm^-3，掺杂杂质可以为镁元素。若掺杂浓度过小，则会由于电阻过大而造成电压偏高；若掺杂浓度过大，则会影响晶格质量，从而影响发光亮度。

进一步地，电流扩展层90的厚度可以为4～8μm。若电流扩展层90的厚度过小，则会影响到电流扩展；若电流扩展层90的厚度过大，则会造成外延片翘曲度增加，甚至导致外延片在生长过程中飞出等不良后果。

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的能带结构示意图，图中a部分表示n型层20的能带，b部分表示有源层30的能带，c部分表示第一电子阻挡层40的能带，d部分表示第二电子阻挡层50的能带，e部分表示p型层的能带。如图3所示，第一电子阻挡层40的能带逐渐升高，第二电子阻挡层50的能带高于p型层60的能带。

图4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4所示，该制备方法包括：

s11：提供一衬底。

本实施例中，选用gaas衬底。

s12：在衬底上依次外延生长n型层、有源层、第一电子阻挡层、第二电子阻挡层和p型层。

其中，第一电子阻挡层为alxga(1-x)inp层，第二电子阻挡层为alyin(1-y)p层，且第一电子阻挡层中的al的组分从靠近有源层一侧向远离有源层一侧逐渐增加，0＜x≤1，0＜y≤1。

本发明实施例通过在外延片中设置第一电子阻挡层和第二电子阻挡层，由于第一电子阻挡层中的al的组分从靠近有源层一侧向远离有源层一侧逐渐增加，因此第一电子阻挡层中，从靠近有源层一侧向远离有源层一侧张应力逐渐增大，可以增强对电子的限制作用，第二电子阻挡层也可以对电子进行阻挡，减少电子进入到p型层中的数量，从而提高了发光效率。同时第一电子阻挡层和第二电子阻挡层设置在有源层和p型层之间，可以减缓mg向有源层中的扩散，同时第一电子阻挡层中的al组分逐渐增大，使得第一电子阻挡层的折射率逐渐降低，从而形成光波导，有利于光线沿着第一电子阻挡层向p型层一侧传播，减少反射回发光层一侧的光，从而提高出光率。

图5是本发明实施例提供的另一种发光二极管的制备方法的流程图，下面结合附图6～13对图5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gaas衬底，gaas衬底是一种常见的衬底，也是红黄光发光二极管常用的衬底。

在步骤s21中，可以对gaas衬底进行预处理，具体可以包括将gaas衬底依次在三氯乙烯、丙酮、乙醇中超声清洗10分钟，去除表面有机物，然后在去离子水中超声清洗15分钟后用氮气吹干，最后高温退火去除gaas衬底表面的氧化薄膜。

s22：在衬底上外延生长缓冲层。

如图6所示，在衬底10上生长gaas缓冲层70。

其中，gaas缓冲层70的厚度可以为150nm～300nm。生长的gaas缓冲层的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若gaas缓冲层的厚度过薄，则会导致gaas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gaas缓冲层厚度的增加，gaas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gaas缓冲层的厚度过厚，则会导致gaas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。

具体地，生长gaas缓冲层70时，控制砷烷(ash3)和金属有机源的摩尔流量比(v/iii比)为20～30，生长速率可以控制在0.5～0.8nm/s，生长温度可以为650～670℃，其中砷烷可以为纯度在99.9999％以上的电子特气。

s23：在缓冲层上生长布拉格反射层。

如图7所示，在gaas缓冲层70上生长布拉格反射层80。

实现时，布拉格反射层80可以包括交替层叠设置的alas层81和algaas层82，通过设置多层结构的布拉格反射层80，可以增强对光线的反射作用，进一步提高led的亮度。

需要说明的是，图7中仅显示出了布拉格反射层80的部分结构，并不用以限制alas层81和algaas层82的层数。

具体地，布拉格反射层80的厚度可以为90～100nm。

进一步地，生长布拉格反射层80时，控制砷烷(ash3)和金属有机源的摩尔流量比(v/iii比)为20～30，生长速率可以控制在0.5～0.8nm/s，生长温度可以为650～670℃，其中砷烷可以为纯度在99.9999％以上的电子特气。

可选地，布拉格反射层80可以包括交替层叠设置的alas层81和algaas层82，通过设置多层结构的布拉格反射层80，可以增强对光线的反射作用，进一步提高led的亮度。

s24：在布拉格反射层上生长n型层。

如图8所示，在布拉格反射层80上生长n型alinp层20。

实现地，n型alinp层20的厚度可以为250～350nm。

进一步地，生长n型alinp层20时，控制磷烷(ph3)和金属有机源的摩尔流量比(v/iii比)为20～30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度可以为670～685℃，其中磷烷可以为纯度在99.9999％以上的电子特气。

可选地，n型alinp层20中的载流子浓度可以为1e18cm^-3～2e18cm^-3。

s25：在n型层上生长有源层。

如图9所示，在n型alinp层20上生长有源层30。

具体地，有源层30的厚度可以为150nm～200nm。

实现时，有源层30可以包括交替层叠的多层量子阱层31和多层量子垒层32，量子阱层31和量子垒层32均为algainp层，但量子阱层31和量子垒层32中al和in的组分不同。

需要说明的是，图9中仅显示出了有源层30的部分结构，并不用以限制量子阱层31和量子垒层32的层数。

进一步地，生长有源层30时，控制磷烷(ph3)和金属有机源的摩尔流量比(v/iii比)为20～30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度可以为670～685℃，其中磷烷可以为纯度在99.9999％以上的电子特气。

s26：在有源层上生长第一电子阻挡层。

如图10所示，在有源层30上生长第一电子阻挡层40。第一电子阻挡层40为alxga(1-x)inp层，其中x≤1，第一电子阻挡层40中的al的组分从靠近有源层一侧向远离有源层一侧逐渐增加。

优选地，第一电子阻挡层40中的al的组分从靠近有源层30一侧向远离有源层30一侧线性增加，从而可以使得第一电子阻挡层中的应力缓慢增大，避免出现应力骤变的情况。

优选地，0.65≤x≤1。若x的数值过小，则al的组分过低，会使得第一电子阻挡层40的禁带宽度过小，从而导致对电子的阻挡能力降低。

具体地，alxga(1-x)inp层的厚度可以为50nm～100nm。若第一电子阻挡层40的厚度过薄，则电子比较容易穿过第一电子阻挡层40，若第一电子阻挡层40过厚，会增加第一电子阻挡层40对光的吸收，导致亮度降低。

进一步地，生长第一电子阻挡层40时，控制磷烷(ph3)和金属有机源的摩尔流量比(v/iii比)为20～30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度可以为670～685℃，其中磷烷可以为纯度在99.9999％以上的电子特气。

s27：在第一电子阻挡层上生长第二电子阻挡层。

如图11所示，在第一电子阻挡层40上生长第二电子阻挡层50。第二电子阻挡层50为alyin(1-y)p层，其中0＜y≤1。

优选地，0.6≤y≤0.7。若y的数值过小，则al的组分过低，会使得对电子的阻挡能力降低，若y的数值过大，则al的组分会过高，会影响空穴的传输，更优选y＝0.65。

具体地，alyin(1-y)p层的厚度可以为10～20nm。若第二电子阻挡层50的厚度过薄，则电子比较容易穿过第二电子阻挡层50，若第二电子阻挡层50过厚，会增加第二电子阻挡层50对光的吸收，导致亮度降低。

进一步地，生长第二电子阻挡层50时，控制磷烷(ph3)和金属有机源的摩尔流量比(v/iii比)为20～30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度可以为670～685℃，其中磷烷可以为纯度在99.9999％以上的电子特气。

s28：在第二电子阻挡层上生长p型层。

如图12所示，在第二电子阻挡层50上生长p型alinp层60。

具体地，p型alinp层60的厚度可以为250nm～350nm。

进一步地，生长p型alinp层60时，控制磷烷(ph3)和金属有机源的摩尔流量比(v/iii比)为20～30，生长速率可以控制在0.45～0.55nm/s，生长温度可以为670～685℃，其中磷烷可以为纯度在99.9999％以上的电子特气。

可选地，p型alinp层60中的载流子浓度可以为7e17cm^-3～9e17cm^-3。

s29：在p型层上生长电流扩展层。

如图13所示，在p型alinp层60上生长p型gap层90。

具体地，p型gap层90的厚度可以为4～8μm。若p型gap层90的厚度过小，则会影响到电流扩展；若p型gap层90的厚度过大，则会造成外延片翘曲度增加，甚至导致外延片在生长过程中飞出等不良后果。

进一步地，生长p型gap层90时，控制磷烷(ph3)和金属有机源的摩尔流量比(v/iii比)为20～30，生长速率可以控制在2.5～3nm/s，生长温度可以为695～710℃，其中磷烷可以为纯度在99.9999％以上的电子特气。

可选地，p型gap层90中的载流子浓度可以为2e18cm^-3～5e18cm^-3。

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。