一种发光二极管的外延片及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，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：

发光二极管(英文：lightemittingdiode，简称：led)是利用半导体的pn结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。外延片是发光二极管制备过程中的初级成品。

现有的外延片包括蓝宝石衬底以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、未掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和p型氮化镓层。其中，多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置，量子阱为铟镓氮层，量子垒为氮化镓层。

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：

若量子阱采用较优的温度(750～850℃)生长，则量子阱的生长质量较好，但同时会造成铟的析出，量子阱中铟组分的含量降低。为了保障量子阱的发光，量子阱中铟组分的含量需要在设定范围内，因此通常采用比较优的温度低50℃的温度生长量子阱，但这样会造成量子阱的生长质量较差，导致缺陷产生，缺陷又造成量子阱的界面发生变化，界面极化较大，影响量子阱中电子和空穴的复合，导致发光二极管的发光效率较低。

技术实现要素：

为了解决现有技术发光二极管的发光效率较低的问题，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，所述外延片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和p型氮化镓层，所述多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，所述多个量子阱和所述多个量子垒交替层叠设置，所述量子阱为铟镓氮层，所述多量子阱层还包括至少一个石墨烯薄膜层，各个所述石墨烯薄膜层分别设置在两个相邻的所述量子阱和所述量子垒之间，当所述石墨烯薄膜层的数量超过1个时，相邻两个所述石墨烯薄膜层之间设有至少一个所述量子阱或者至少一个所述量子垒。

可选的，各个所述石墨烯薄膜层与所述n型氮化镓层之间的距离大于与所述电子阻挡层之间的距离。

可选的，当所述石墨烯薄膜层的数量超过3个时，任意两个相邻的所述石墨烯薄膜层之间的所述量子阱和所述量子垒的层数之和相等。

可选的，任意两个相邻的所述量子阱和所述量子垒之间均设有所述石墨烯薄膜层。

可选的，所述石墨烯薄膜层的数量为1～20个。

可选地，所述石墨烯薄膜层的厚度为1nm～1.1nm。

另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和p型氮化镓层；

其中，所述多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，所述多个量子阱和所述多个量子垒交替层叠设置，所述量子阱为铟镓氮层，所述多量子阱层还包括至少一个石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层设置在两个相邻的所述量子阱和所述量子垒之间，当所述的石墨烯薄膜层的数量超过1个时，相邻两个所述石墨烯薄膜层之间设有至少一个所述量子阱或者至少一个所述量子垒。

可选地，所述石墨烯薄膜层的生长方式如下：

通过甩胶的方式在所述量子阱或所述量子垒上形成所述石墨烯薄膜层。

可选地，所述石墨烯薄膜层的生长温度为20～150℃。

可选地，所述石墨烯薄膜层的生长压力为50～150torr。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

石墨烯的电子密度高，将石墨烯薄膜层设置在相邻的量子阱和量子垒之间，可以利用石墨烯薄膜层防止量子阱中的铟原子扩散到量子垒中，提高量子阱中铟的有效掺杂，避免铟由于量子阱的生长温度较高而析出，从而可以采用较高的温度生长量子阱，提高量子阱的生长质量，改善界面极化，提高发光二极管的发光效率。而且石墨烯的电导率好，有利于电子和空穴的横向扩展，避免界面极化，有利于电子和空穴的复合，进一步提高发光二极管的发光效率。

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是本发明实施例一提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的多量子阱层的结构示意图；

图3是本发明实施例一提供的石墨烯薄膜层一种设置方式的示意图；

图4是本发明实施例一提供的石墨烯薄膜层另一种设置方式的示意图；

图5是本发明实施例一提供的石墨烯薄膜层又一种设置方式的示意图；

图6是本发明实施例五提供的一种发光二极管的外延片的制备方法的流程图；

图7是本发明实施例六提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法的流程图。

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。

实施例一

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，参见图1，该外延片包括衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂氮化镓层3、n型氮化镓层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和p型氮化镓层7。

在本实施例中，参见图2，多量子阱层5包括多个量子阱51和多个量子垒52，多个量子阱51和多个量子垒52交替层叠设置，量子阱为铟镓氮层。多量子阱5还包括至少一个石墨烯薄膜层53，石墨烯薄膜层53设置在两个相邻的量子阱51和量子垒52之间，当石墨烯薄膜层53的数量超过1个时，相邻两个石墨烯薄膜层53之间设有至少一个量子阱51或者至少一个量子垒52(图2仅以石墨烯薄膜层的数量为1个为例，本发明并不限制于此)。

在本实施例中，当石墨烯薄膜层的数量为1个时，石墨烯薄膜层可以设置在任意两个相邻的量子阱51和量子垒52之间；当石墨烯薄膜层的数量超过1个时，可以从所有相邻的量子阱和量子垒之间的位置中，选择数量与石墨烯薄膜层的数量相等的位置，并在选出的各个位置中均设置一个石墨烯薄膜层。例如，多量子阱层包括依次层叠的量子阱51a、量子垒52a、量子阱51b、量子垒52b，石墨烯薄膜层的数量为2个，可以一个石墨烯薄膜层设置在量子阱51a和量子垒52a之间，另一个石墨烯薄膜层设置在量子垒52a和量子阱51b之间，也可以一个石墨烯薄膜层设置在量子垒52a和量子阱51b之间，另一个石墨烯薄膜层设置在量子阱51b和量子垒52b之间，还可以一个石墨烯薄膜层设置在量子阱51b和量子垒52b之间，另一个石墨烯薄膜层设置在量子阱51a和量子垒52a之间。

石墨烯的电子密度高，将石墨烯薄膜层设置在相邻的量子阱和量子垒之间，可以利用石墨烯薄膜层防止量子阱中的铟原子扩散到量子垒中，提高量子阱中铟的有效掺杂，避免铟由于量子阱的生长温度较高而析出，从而可以采用较高的温度生长量子阱，提高量子阱的生长质量，改善界面极化，提高发光二极管的发光效率。而且石墨烯的电导率好，有利于电子和空穴的横向扩展，避免界面极化，有利于电子和空穴的复合，进一步提高发光二极管的发光效率。

可选地，单个石墨烯薄膜层的厚度可以为1nm～1.1nm，以采用甩胶机一次成型。

可选地，石墨烯薄膜层的数量可以为1～20个。容易知道，石墨烯薄膜层的数量越多，说明越多相邻两个量子阱和量子垒之间设有石墨烯薄膜层，更多的量子阱可以采用较高的生长温度，生长质量好，界面极化改善，发光效率高，但是石墨烯薄膜层不能在氮化镓材料上生长，需要另外采用工艺形成，因此若石墨烯薄膜层的数量超过20个，则可能会造成制备工艺过于复杂，生产成本过高。

在本实施例的一种实现方式中，如图3所示，各个石墨烯薄膜层53与n型氮化镓层4之间的距离可以大于与电子阻挡层6之间的距离。

由于n型氮化镓层4注入多量子阱层5的电子数量远多于p型氮化镓层7注入多量子阱层5的空穴数量，因此电子和空穴主要集中在靠近电子阻挡层6的几个量子阱51中复合发光，将石墨烯薄膜层53设置在靠近电子阻挡层6的量子阱51和量子垒52之间，可以有效提高主要发光的几个量子阱51的生长质量，有效提高发光二极管的发光效率。同时石墨烯薄膜层不能在氮化镓材料上生长，需要另外采用工艺形成，与所有的量子阱和量子垒之间设置石墨烯薄膜层，只在主要发光的几个量子阱周围设置石墨烯薄膜层，既能有效提高发光二极管的发光效率，也不会造成工艺过于复杂，生产成本过高。

在本实施例的另一种实现方式中，如图4所示，当石墨烯薄膜层的数量超过3个时，任意两个相邻的石墨烯薄膜层之间的量子阱和量子垒的层数之和相等。例如，如图4所示，任意两个相邻的石墨烯薄膜层之间均设有2个量子阱和2个量子垒。

将石墨烯薄膜层均匀设置在多量子阱层中，各量子阱的生长质量分布比较均匀，可以避免由于底层生长质量较差影响后续各层生长的问题，而且生产工艺相对简单些，既对发光二极管的发光效率有一定的提高，也可以有效控制生产成本。

在本实施例的又一种实现方式中，如图5所示，任意两个相邻的量子阱51和量子垒52之间均设有石墨烯薄膜层53。

将石墨烯薄膜层设置在每一个量子阱和量子垒之间，可以最大程度提高发光二极管的发光效率。

具体地，衬底为蓝宝石衬底。缓冲层可以为氮化镓层，也可以为氮化铝层。量子垒可以为氮化镓层，也可以为铝镓氮层。电子阻挡层可以为铝镓氮层。进一步地，铝镓氮(algan)层可以为alxga1-xn层，0.1＜x＜0.5。

可选地，氮化镓缓冲层的厚度可以为15～35nm。

可选地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1～5μm。

可选地，n型氮化镓层的厚度可以为1～5μm。

可选地，n型氮化镓层中n型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸～10¹⁹cm^-3。

可选地，量子垒的层数与量子阱相同，量子阱的层数可以为3～15层。

优选地，石墨烯薄膜层的层数可以为量子阱的三分之一。进一步地，石墨烯薄膜层可以设在距离n型氮化镓层最远的几个量子阱与相邻的量子垒的交界处。

具体地，量子阱的厚度可以为3nm，量子垒的厚度可以为9～20nm。

可选地，电子阻挡层的厚度可以为50～150nm。

可选地，p型氮化镓层的厚度可以为105～500nm。

实施例二

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，本实施例提供的外延片是实施例一提供的外延片的一种具体实现。

在本实施例中，如图3所示，多量子阱层5包括8个量子阱51和8个量子垒52，最靠近电子阻挡层6的2个量子阱51中各个量子阱51与相邻的量子垒52的交界处均设有石墨烯薄膜层53。

实验发现，本实施例的外延片与传统外延片(多量子阱层包括8个量子阱和8个量子垒，各个量子阱与相邻的量子垒的交界处均没有设置石墨烯薄膜层)相比，电流密度为50a/cm²时的发光效率提升了2％，电流密度为100a/cm²时的发光效率提升了3.5％。

实施例三

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，本实施例提供的外延片是实施例一提供的外延片的另一种具体实现。

在本实施例中，如图4所示，多量子阱层5包括8个量子阱51和8个量子垒52，石墨烯薄膜层53设置在量子阱51和量子垒52的交界处，且相邻石墨烯薄膜层53之间均设有2个量子阱51和2个量子垒52。

实验发现，本实施例的外延片与传统外延片(多量子阱层包括8个量子阱和8个量子垒，各个量子阱与相邻的量子垒的交界处均没有设置石墨烯薄膜层)相比，电流密度为50a/cm²时的发光效率提升了2.5％，电流密度为100a/cm²时的发光效率提升了5％。

实施例四

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，本实施例提供的外延片是实施例一提供的外延片的另一种具体实现。

在本实施例中，如图5所示，多量子阱层5包括5个量子阱51和5个量子垒52，所有的量子阱51与相邻的量子垒52的交界处均设有石墨烯薄膜层53。

实验发现，本实施例的外延片与传统外延片(多量子阱层包括8个量子阱和8个量子垒，各个量子阱与相邻的量子垒的交界处均没有设置石墨烯薄膜层)相比，电流密度为50a/cm²时的发光效率提升了4％，，电流密度为100a/cm²时的发光效率提升了9％。

实施例五

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，适用于制备实施例一至实施例四种任一实施例提供的外延片，参见图6，该制备方法包括：

步骤101：提供一衬底。

步骤102：在衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、多量子阱层、电子阻挡层和p型氮化镓层。

在本实施例中，多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置，量子阱为铟镓氮层，多量子阱层还包括至少一个石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层设置在相邻的量子阱和量子垒的交界处。

石墨烯的电子密度高，将石墨烯薄膜层设置在相邻的量子阱和量子垒之间，可以利用石墨烯薄膜层防止量子阱中的铟原子扩散到量子垒中，提高量子阱中铟的有效掺杂，避免铟由于量子阱的生长温度较高而析出，从而可以采用较高的温度生长量子阱，提高量子阱的生长质量，改善界面极化，提高发光二极管的发光效率。而且石墨烯的电导率好，有利于电子和空穴的横向扩展，避免界面极化，有利于电子和空穴的复合，进一步提高发光二极管的发光效率。

在具体实现中，形成石墨烯薄膜层的过程可以如下：

通过甩胶的方式在量子阱或量子垒上形成石墨烯薄膜层。

在具体实现中，可以在纯氮气气氛中，采用甩胶机将商用的乙醇处理的石墨烯溶液(graphenesupermarket，inc.)甩到量子阱或者量子垒上，形成石墨烯薄膜层。

具体地，石墨烯溶液中石墨烯的质量密度可以为0.5mg/l～5mg/l，如1mg/l，2～3滴的石墨烯溶液(约0.1ml～0.15ml)即可在1平方厘米的平面上形成一层石墨烯薄膜层。石墨烯薄膜层的厚度可以由甩胶的次数控制。

在实际应用中，可以将甩胶机与生长量子阱和量子垒的反应腔连通，在需要形成石墨烯薄膜层时，直接将量子阱或量子垒在腔体内转移即可；也可以在需要形成石墨烯薄膜层时，直接从生长量子阱和量子垒的反应腔内取出量子阱或量子垒，再放置在甩胶内形成。待石墨烯薄膜层形成之后，再将量子阱或量子垒原路返回生长量子阱和量子垒的反应腔内继续外延生长。

实施例六

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制造方法，本实施例提供的外延片是实施例五提供的制造方法的一种具体实现。参见图7，该制备方法包括：

步骤200：控制温度为1000～1200℃，将蓝宝石衬底在氢气气氛中退火8分钟，并进行氮化处理。

可以理解地，步骤200可以起到清洁蓝宝石衬底表面的作用。

在本实施例中，控制温度、压力均是指控制生长外延片的反应腔中的温度、压力，后文不再赘述。

在本实施例中，蓝宝石衬底采用[0001]晶向蓝宝石。

步骤201：控制温度为400～600℃，压力为400～600torr，在蓝宝石衬底上生长氮化镓缓冲层。

可选地，氮化镓缓冲层的厚度可以为15～35nm。

可选地，在步骤201之后，该制备方法还可以包括：

控制温度为1000～1200℃，压力为400～600torr，持续时间为5～10分钟，对氮化镓缓冲层进行原位退火处理。

步骤202：控制温度为1000～1100℃，压力为100～500torr，在氮化镓缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。

可选地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1～5μm。

步骤203：控制温度为1000～1200℃，压力为100～500torr，在未掺杂氮化镓层上生长n型氮化镓层。

可选地，n型氮化镓层的厚度可以为1～5μm。

可选地，n型氮化镓层中n型掺杂剂的掺杂浓度可以为10¹⁸～10¹⁹cm^-3。

步骤204：在n型氮化镓层上生长多量子阱层。

在本实施例中，多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠设置，量子阱为铟镓氮层，多量子阱层还包括至少一个石墨烯薄膜层，各个石墨烯薄膜层分别设置在两个相邻的量子阱和量子垒之间，当石墨烯薄膜层的数量超过1个时，相邻两个石墨烯薄膜层之间设有至少一个量子阱或者至少一个量子垒。

具体地，单个量子阱的生长方法可以包括：

控制温度为750～850℃，压力为100～500torr，生长一层量子阱。

单个量子的生长方法包括：

控制温度为850～959℃，压力为100～500torr，生长一层量子垒。

单个石墨烯薄膜层的生长方法可以包括：

控制温度为20～150℃，压力为50～500torr，通过甩胶的方式形成一层石墨烯薄膜层。

在实际应用中，可以根据多量子阱层中各层的层叠顺序，按照上述生长方式生长各层。例如，多量子阱层包括依次层叠的量子阱51a、量子垒52a、石墨烯薄膜层53、量子阱51b、石墨烯薄膜层53、量子垒52b，则先按照上述单个量子阱的生长方法生长量子阱51a，再按照上述单个量子垒的生长方法生长量子垒52a，接着按照上述石墨烯薄膜层的生长方法生长石墨烯薄膜层53，然后按照上述单个量子阱的生长方法生长量子阱51b，再按照上述单个石墨烯薄膜层的生长方法生长石墨烯薄膜层53，最后按照上述单个量子垒的生长方法生长量子垒52b。

具体地，石墨烯薄膜层可以在生长量子阱和量子垒的反应腔内形成，也可以在生长量子阱或量子垒的反应腔外形成。

步骤205：控制温度为850～1080℃，压力为200～500torr，在多量子阱层本体上生长p型铝镓氮层。

具体地，p型铝镓氮(algan)层可以为alxga1-xn层，0.1＜x＜0.5。

可选地，p型铝镓氮层的厚度可以为50～150nm。

步骤206：控制温度为750～1080℃，压力为200～500torr，在p型铝镓氮层上生长p型氮化镓层。

可选地，p型氮化镓层的厚度可以为105～500nm。

步骤207：控制温度为650～850℃，持续时间为5～15分钟，在氮气气氛中进行退火处理。

本发明实施例利用石墨烯的电子密度高，将石墨烯薄膜层设置在相邻的量子阱和量子垒之间，可以利用石墨烯薄膜层防止量子阱中的铟原子扩散到量子垒中，提高量子阱中铟的有效掺杂，避免铟由于量子阱的生长温度较高而析出，从而可以采用较高的温度生长量子阱，提高量子阱的生长质量，改善界面极化，提高发光二极管的发光效率。而且石墨烯的电导率好，有利于电子和空穴的横向扩展，避免界面极化，有利于电子和空穴的复合，进一步提高发光二极管的发光效率。

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。