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作方法。
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。
目前GaN基LED外延片通常包括衬底和在衬底上依次生长的成核层、u型GaN层、n型层、发光层和p型层。LED通电后，载流子(包括n型层的电子和p型层的空穴)会向发光层迁移，并在发光层中复合发光。
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：
现有的外延片通常是在图形化衬底上生长，图形化衬底表面凹凸不平，在凸起区域和凹陷区域都会生长晶粒，由于在凸起区域和凹陷区域生长的晶粒取向不同，因此会导致最终形成的外延片中具有较大的位错密度。
技术实现要素：
为了解决现有外延片中具有较大的位错密度的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制作方法。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，所述外延片包括平片衬底和依次设置在所述平片衬底上的氮化物成核层、布拉格反射层、u型GaN层、n型层、发光层和p型层，所述布拉格反射层上形成有周期性镂空图形，或者所述布拉格反射层包括在所述氮化物成核层上阵列排布的周期性凸起，所述u型GaN层生长在所述氮化物成核层上且覆盖所述布拉格反射层。
可选地，所述布拉格反射层包括多层SiO2层、多层MgF2层、多层TiO2层、多层Nb2O5层中的任意一种，或者所述布拉格反射层包括交替层叠的SiO2层和TiO2层、交替层叠的SiO2层和Nb2O5层、交替层叠的MgF2层和TiO2层、交替层叠的MgF2层和Nb2O5层中的任意一种。
可选地，所述布拉格反射层的厚度为0.1～5μm。
可选地，所述周期性镂空图形和所述周期性凸起的周期均为0.5～10μm。
可选地，所述周期性镂空图形包括阵列排布的多个柱形凹槽，所述周期性凸起包括多个柱形凸起。
可选地，所述氮化物成核层为GaN成核层、AlN成核层或AlGaN成核层。
可选地，所述氮化物成核层的厚度为10～100nm。
可选地，所述平片衬底包括平片蓝宝石衬底、平片GaN衬底、平片Si衬底、平片SiC衬底或平片ZnO衬底中的任意一种。
另一方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管的外延片的制作方法，所述制作方法包括：
提供一平片衬底；
在所述平片衬底上依次外延生长氮化物成核层、布拉格反射层；所述布拉格反射层上形成有周期性镂空图形，或者所述布拉格反射层包括在所述氮化物成核层上阵列排布的周期性凸起；
在所述氮化物成核层上生长u型GaN层，并使所述u型GaN层覆盖所述布拉格反射层；
在所述u型GaN层上依次生长n型层、发光层和p型层。
可选地，在外延生长所述布拉格反射层时，所述制作方法包括：
在所述氮化物成核层上形成反射层薄膜；
刻蚀所述反射层薄膜至露出所述氮化物成核层，以形成所述周期性镂空图形或所述周期性凸起。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：由于在平片衬底上先形成氮化物成核层后，再在氮化物成核层上形成了布拉格反射层，该布拉格反射层上形成有周期性镂空图形，或者布拉格反射层包括在氮化物成核层上阵列排布的周期性凸起，在后续生长u型GaN层时，在露出的氮化物成核层的表面上具有较高的生长速度，在布拉格反射层上不会直接生长出GaN晶体，而当氮化物成核层的表面上生长出的GaN晶体生长至布拉格反射层的表面时会横向生长，并逐渐将布拉格反射层覆盖，在露出的氮化物成核层的表面上生长的晶粒具有相同的取向，这样可以使生长出来的晶粒取向相同，从而减少后续形成的外延结构的位错密度，有利于降低外延片的位错密度，提高外延片的晶体质量。
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示意图；
图2是本发明实施例提供的一种布拉格反射层的局部俯视图；
图3是图2的截面图；
图4是本发明实施例提供的另一种布拉格反射层的局部俯视图；
图5是图4的截面图；
图6是本发明实施例提供的一种发光层的结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制作方法流程图；
图8是本发明实施例提供的另一种发光二极管的制作方法的流程图；
图9～13是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备过程示意图。
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示意图。如图1所示，该外延片包括平片衬底10和依次设置在平片衬底10上的氮化物成核层20、布拉格反射层30、u型GaN层40、n型层50、发光层60和p型层70。
图2是本发明实施例提供的一种布拉格反射层的局部俯视图，图3是图2的截面图，结合图2和图3，该布拉格反射层30上形成有周期性镂空图形。
图4是本发明实施例提供的另一种布拉格反射层的局部俯视图，图5是图4的截面图，结合图4和图5，该布拉格反射层30包括在氮化物成核层20上阵列排布的周期性凸起，u型GaN层40生长在氮化物成核层20上且覆盖布拉格反射层30。
本发明实施例由于在平片衬底上先形成氮化物成核层后，再在氮化物成核层上形成了布拉格反射层，该布拉格反射层上形成有周期性镂空图形，或者布拉格反射层包括在氮化物成核层上阵列排布的周期性凸起，在后续生长u型GaN层时，在露出的氮化物成核层的表面上具有较高的生长速度，在布拉格反射层上不会直接生长出GaN晶体，而当氮化物成核层的表面上生长出的GaN晶体生长至布拉格反射层的表面时会横向生长，并逐渐将布拉格反射层覆盖，在露出的氮化物成核层的表面上生长的晶粒具有相同的取向，这样可以使生长出来的晶粒取向相同，从而减少后续形成的外延结构的位错密度，有利于降低外延片的位错密度，提高外延片的晶体质量。
可选地，布拉格反射层30可以包括多层SiO2层、多层MgF2层、多层TiO2层、多层Nb2O5层中的任意一种，布拉格反射层30由相同材料的层叠加形成，且相邻的层的折射率不同，多层结构叠加后可以使发光层发出的光较好的向p型层一侧反射，有利于提高出光率。
在其他实施例中，布拉格反射层30也可以包括交替层叠的SiO2层和TiO2层、交替层叠的SiO2层和Nb2O5层、交替层叠的MgF2层和TiO2层、交替层叠的MgF2层和Nb2O5层中的任意一种，布拉格反射层30由不同材料的层叠加形成，且相邻的层的折射率不同，多层结构叠加后也可以使发光层发出的光较好的向p型层一侧反射，有利于提高出光率。
由于Ga-N键的键能显著强于Ga-O键的键能，所以u型GaN层40会优先在露出的氮化物成核层20上生长，而不易在布拉格反射层30上生长，覆盖布拉格反射层30的u型GaN层40主要由横向生长形成，有利于减少位错密度，提高晶体质量。
进一步地，布拉格反射层30的厚度可以为0.1～5μm。优选为1～2μm，布拉格反射层30的厚度过大会延长生长周期，而布拉格反射层30的厚度过小则会减弱对发光层60发出的光的反射作用。将布拉格反射层30的厚度设置为1～2μm，可以使LED有较高的发光效率，且生长周期不会过长。
如图2和图3所示，周期性镂空图形可以包括阵列排布的多个柱形凹槽30a。虽然图3中所示的柱形凹槽30a为圆台型，但是在其他实施例中，柱形凹槽30a也可以呈圆柱型、棱柱型、棱台型，且当柱形凹槽30a为圆台型或棱台型时，柱形凹槽30a的开口处的面积既可以大于柱形凹槽30a的底部的面积也可以小于柱形凹槽30a的底部的面积，即柱形凹槽30a可以为正的圆台型或棱台型，也可以为倒的圆台型或棱台型。柱形凹槽30a的底部露出氮化物成核层20的表面。
优选地，柱形凹槽30a为圆台型，且柱形凹槽30a的开口处的面积大于柱形凹槽的底部的面积，在刻蚀时，刻蚀液不仅会沿柱形凹槽30a的深度方向进行腐蚀，而且也会沿平行于平片衬底10的表面的方向腐蚀，因此圆台型的柱形凹槽30a更加便于刻蚀形成。
可选地，柱形凹槽30a的底面直径可以为0.2～9μm，其中，柱形凹槽30a的底面直径指的是柱形凹槽30a的底面的外接圆的直径。
如图4和图5，周期性凸起可以包括多个柱形凸起30b。虽然图5中所示的柱形凸起30b呈圆锥型，但是在其他实施例中，柱形凸起30b还可以呈圆柱型、棱柱型、棱锥型、圆台型、棱台型，且当柱形凸起30b为圆台型或棱台型时，柱形凸起30b的顶面的面积既可以大于柱形凸起的底面的面积也可以小于柱形凸起30b的底面的面积，即柱形凸起30b可以为正的圆台型或棱台型，也可以为倒的圆台型或棱台型。
优选地，柱形凸起30b可以呈圆锥型或圆台型，在刻蚀时，刻蚀液不仅会沿垂直于平片衬底10的表面的方向进行腐蚀，而且也会沿平行于平片衬底10的表面的方向腐蚀，因此圆锥型和圆台型的柱形凸起30b更加便于刻蚀形成。
可选地，柱形凸起30b的底面直径可以为0.2～10μm，其中，柱形凸起30b的底面直径指的是柱形凸起30b的底面的外接圆的直径。
可选地，周期性镂空图形和周期性凸起的周期均可以为0.5～10μm。布拉格反射层30上每个露出的氮化物成核层20的表面都是u型GaN层40的生长的起始位置，将周期设置为0.5～10μm可以使u型GaN层40更加均匀的开始生长。
可选地，平片衬底10可以包括平片蓝宝石衬底、平片GaN衬底、平片Si衬底、平片SiC衬底或平片ZnO衬底中的任意一种，蓝宝石衬底、GaN衬底、Si衬底、SiC衬底和ZnO衬底均为常见的衬底结构，方便获取。
氮化物成核层20的厚度可以为10～100nm，优选为10～50nm，氮化物成核层20厚度过大会导致氮化物成核层20的表面过于平整，不利于u型GaN层在露出的氮化物成核层20上生长。
可选地，氮化物成核层20可以为GaN成核层、AlN成核层或AlGaN成核层，由于Ga-N键的键能显著强于Ga-O键的键能，可以使u型GaN层40从氮化物成核层20上开始生长，而不直接在布拉格反射层30上生长，有利于u型GaN层40的横向生长，提高晶粒的取向的一致性，从而进一步降低最终形成的外延片中的位错密度。
可选地，u型GaN层40的厚度可以为0.3～10μm，在本实施例中，u型GaN层40的厚度为1.5μm。
可选地，n型层50为n型GaN层，n型层50的厚度可以为0.8～5.0μm，在本实施例中，n型层50的厚度为2μm。
n型层50中的Si的掺杂浓度可以为1018～5×1019cm-3。
图6是本发明实施例提供的一种发光层的结构示意图，如图6所示，发光层60可以包括交替层叠的10～15个周期的InxGa1-xN层61和GaN层62，0<x<1，其中，InxGa1-xN层61的厚度可以为2～4nm，GaN层62的厚度可以为5～20nm，本实施例中，InxGa1-xN层61的厚度为3nm，GaN层62的厚度为11nm。
需要说明的是，图6中所示出的InxGa1-xN层61和GaN层62的层数仅为示意，并不用以限制其各自的层数。
可选地，p型层70可以为p型GaN层。
图7是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制作方法流程图，用于制作如图1所示的外延片，如图7所示，该制作方法包括：
S11：提供一平片衬底。
S12：在平片衬底上依次外延生长氮化物成核层、布拉格反射层。
其中，布拉格反射层上形成有周期性镂空图形，或者布拉格反射层包括在氮化物成核层上阵列排布的周期性凸起。
S13：在氮化物成核层上生长u型GaN层，并使u型GaN层覆盖布拉格反射层。
S14：在u型GaN层上依次生长n型层、发光层和p型层。
本发明实施例由于在平片衬底上先形成氮化物成核层后，再在氮化物成核层上形成了布拉格反射层，该布拉格反射层上形成有周期性镂空图形，或者布拉格反射层包括在氮化物成核层上阵列排布的周期性凸起，在后续生长u型GaN层时，在露出的氮化物成核层的表面上具有较高的生长速度，在布拉格反射层上不会直接生长出GaN晶体，而当氮化物成核层的表面上生长出的GaN晶体生长至布拉格反射层的表面时会横向生长，并逐渐将布拉格反射层覆盖，在露出的氮化物成核层的表面上生长的晶粒具有相同的取向，这样可以使生长出来的晶粒取向相同，从而减少后续形成的外延结构的位错密度，有利于降低外延片的位错密度，提高外延片的晶体质量。
图8是本发明实施例提供的另一种发光二极管的制作方法的流程图，下面结合附图9～13对图1～6提供的制作方法进行详细说明：
S21：提供一平片衬底。
本实施例中，以平片蓝宝石衬底为例，具体实现时，还可以是平片GaN衬底、平片Si衬底、平片SiC衬底或平片ZnO衬底中的任意一种。
平片蓝宝石衬底的抛光面为(0001)面。
S22：在平片衬底上外延生长氮化物成核层。
如图9所示，在平片衬底10上生长有氮化物成核层20。
可选地，氮化物成核层20可以为GaN成核层、AlN成核层或AlGaN成核层，由于Ga-N键的键能显著强于Ga-O键的键能，所以在生长u型GaN层时，u型GaN层40会优先在露出的氮化物成核层20上，而不易在布拉格反射层30上生长，有利于增强u型GaN层40的横向生长，提高晶粒的取向的一致性，从而进一步降低最终形成的外延片中的位错密度。本实施例中，氮化物成核层为AlN成核层。
具体可以采用MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)技术生长氮化物成核层，此外也可以采用磁控溅射镀膜技术生长氮化物成核层。
氮化物成核层20的厚度可以为10～100nm，优选为10～50nm，氮化物成核层20厚度过大会导致氮化物成核层20的晶体质量较差，不利于提高u型GaN层在露出的氮化物成核层20上生长的晶体质量。
S23：在氮化物成核层上生长布拉格反射层。
如图10所示，在氮化物成核层20上生长有布拉格反射层30。
步骤S23具体可以包括以下步骤：
步骤一：在氮化物成核层上形成反射层薄膜。
可选地，反射层薄膜可以包括多层SiO2层、多层MgF2层、多层TiO2层、多层Nb2O5层中的任意一种。
在其他实施例中，反射层薄膜也可以包括交替层叠的SiO2层和TiO2层、交替层叠的SiO2层和Nb2O5层、交替层叠的MgF2层和TiO2层、交替层叠的MgF2层和Nb2O5层中的任意一种。
由于Ga-N键的键能显著强于Ga-O键的键能，所以u型GaN层会优先在露出的氮化物成核层上生长，而不易在布拉格反射层上生长，覆盖布拉格反射层的u型GaN层主要由横向生长形成，有利于减少位错密度，提高晶体质量。
进一步地，反射层薄膜的厚度可以为0.1～5μm。优选为1～2μm，反射层薄膜的厚度过大会延长生长周期，而反射层薄膜的厚度过小则最终形成的布拉格反射层厚度较小，会减弱对发光层发出的光的反射作用。将反射层薄膜的厚度设置为1～2μm，可以使最终形成的布拉格反射层能较好的反射发光层发出的光，使LED有较高的发光效率，且生长周期不会过长。
步骤二：刻蚀反射层薄膜至露出氮化物成核层，以形成周期性镂空图形或周期性凸起。
在刻蚀反射层薄膜时，可以刻蚀形成图2～3所示结构的布拉格反射层，也可以刻蚀形成图4～5所示结构的布拉格反射层，在刻蚀形成两种不同结构的布拉格反射层时，所选用的掩膜具有不同的图形。在刻蚀时可以采用光刻胶作为掩膜。具体可以采用湿法蚀刻或干法刻蚀。
刻蚀的深度等于反射层薄膜的厚度，以露出氮化物成核层。
采用湿法刻蚀时，可以采用缓冲氧化物刻蚀液，采用干法刻蚀时，可以采用BCl3、HCF3，或CF4进行刻蚀。
如图2～3所示，刻蚀形成的周期性镂空图形可以包括阵列排布的多个柱形凹槽30a，虽然图3中所示的柱形凹槽30a为圆台型，但是在其他实施例中，柱形凹槽30a也可以呈圆柱型、棱柱型、棱台型，且当柱形凹槽30a为圆台型或棱台型时，柱形凹槽30a的开口处的面积既可以大于柱形凹槽30a的底部的面积也可以小于柱形凹槽30a的底部的面积，即柱形凹槽30a可以为正的圆台型或棱台型，也可以为倒的圆台型或棱台型。柱形凹槽30a的底部露出氮化物成核层30的表面。
优选地，柱形凹槽30a为圆台型，且柱形凹槽30a的开口处的面积大于柱形凹槽的底部的面积，在刻蚀时，刻蚀液不仅会沿柱形凹槽的深度方向进行腐蚀，而且也会沿平行于平片衬底的表面的方向腐蚀，因此圆台型的柱形凹槽更加便于刻蚀形成。
可选地，柱形凹槽30a的底面直径可以为0.2～9μm，其中，柱形凹槽30a的底面直径指的是柱形凹槽30a的底面的外接圆的直径。
如图4～5所示，刻蚀形成的周期性凸起可以包括多个柱形凸起30b，虽然图5中所示的柱形凸起30b呈圆锥型，但是在其他实施例中，柱形凸起30b还可以呈圆柱型、棱柱型、棱锥型、圆台型、棱台型，且当柱形凸起30b为圆台型或棱台型时，柱形凸起30b的顶面的面积既可以大于柱形凸起的底面的面积也可以小于柱形凸起30b的底面的面积，即柱形凸起30b可以为正的圆台型或棱台型，也可以为倒的圆台型或棱台型。
优选地，柱形凸起30b可以呈圆锥型或圆台型，在刻蚀时，刻蚀液不仅会沿垂直于平片衬底10的表面的方向进行腐蚀，而且也会沿平行于平片衬底10的表面的方向腐蚀，因此圆锥型和圆台型的柱形凸起30b更加便于刻蚀形成。
可选地，柱形凸起30b的底面直径可以为0.2～10μm，其中，柱形凸起30b的底面直径指的是柱形凸起30b的底面的外接圆的直径。
可选地，周期性镂空图形和周期性凸起的周期均可以为0.5～10μm。布拉格反射层30上每个露出的氮化物成核层20的表面都是u型GaN层的生长的起始位置，将周期设置为0.5～10μm可以使u型GaN层更加均匀的开始生长。
S24：在氮化物成核层上生长u型GaN层，并使u型GaN层覆盖布拉格反射层。
如图11所示，在布拉格反射层30上覆盖有u型GaN层40。由于布拉格反射层30没有完全覆盖氮化物成核层20，u型GaN层40在露出的氮化物成核层20表面生长，并且在生长至布拉格反射层30的表面后横向生长，从而将布拉格反射层30完全覆盖。
u型GaN层40的厚度可以为0.3～10μm，在本实施例中，u型GaN层40的厚度为1.5μm。u型GaN层40的厚度指的是覆盖在布拉格反射层30表面的u型GaN层40的厚度，不包括从氮化物成核层20的表面开始至露出布拉格反射层30表面的部分，以布拉格反射层30上有柱形凹槽30a为例，在计算u型GaN层40的厚度时，不包括生长于柱形凹槽30a内的部分。
u型GaN层40的生长温度可以为1000～1100℃，生长压力可以为100torr～800torr。本实施例中，u型GaN层40的生长温度为1050℃，生长压力为300torr。
S25：在u型GaN层上生长n型层。
如图12所示，在u型GaN层40上生长有n型层50。
实现时，n型层50为n型GaN层，n型层50的厚度可以为0.8～5.0μm，在本实施例中，n型层50的厚度为2μm。n型层50中的Si的掺杂浓度可以为1018～5×1019cm-3。
n型层50的生长温度可以为1000～1100℃，生长压力可以为100torr～600torr。
需要说明的是，n型层50还可以采用其他掺杂，例如Ge。
S26：在n型层上生长发光层。
如图13所示，在n型层50上生长有发光层60。
具体地，发光层60可以包括交替层叠的10～15个周期的InxGa1-xN层61和GaN层62，其中，0<x<1。
可选地，InxGa1-xN层61的厚度可以为2～4nm，GaN层62的厚度可以为5～20nm，本实施例中，InxGa1-xN层61的厚度为3nm，GaN层62的厚度为11nm。
实现时，InxGa1-xN层61的生长温度可以为700～800℃，生长压力可以为100～500torr。GaN层62的生长温度可以为800～950℃，生长压力可以为100～500torr。在本实施例中，InxGa1-xN层61的生长温度设置为750℃，GaN层62的生长温度设置为830℃，InxGa1-xN层61和GaN层62的生长压力均为300torr。
需要说明的是，图13中所示出的InxGa1-xN层61和GaN层62的层数仅为示意，并不用以限制其各自的层数。
S27：在发光层上生长p型层。
参照图1，在发光层60上生长有p型层70。
可选地，p型层70可以为p型GaN层。
p型GaN层的生长温度可以为850～1080℃，生长压力可以为100～900torr。
在完成步骤S28后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。