一种GaN基发光二极管外延片及其制备方法与流程

本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种gan基发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术：

led(lightemittingdiode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。led通常包括外延片和设于外延片上的电极。gan基led外延片包括：衬底、以及依次在衬底上生长的低温gan层、高温gan层、n型层、mqw(multiplequantumwell，多量子阱)层(又称有源层)、电子阻挡层、p型层和活化p型接触层。

在外延片上制作电极之前，会在活化p型接触层上镀ito(氧化铟锡)导电层。其中，活化p型接触层一般是单一掺杂mg和in的gan层。活化p型接触层中掺杂的mg可以活化而产生较多的空穴。掺杂的in，一方面可以作为mg活化的催化剂，使mg产生更多的空穴；另一方面可以与ito层形成较好的接触。但in会吸收量子阱发出的光，影响led最终的发光效率。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种gan基发光二极管外延片及其制备方法，能够保证活化p型接触层与ito层的接触且减少对量子阱发光的吸收。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种gan基发光二极管外延片，所述外延片包括：衬底、以及依次在衬底上沉积的低温gan层、高温gan层、n型层、多量子阱层、电子阻挡层、p型层和活化p型接触层；

所述活化p型接触层包括第一gan层和第二gan层，所述第一gan层位于所述p型层与所述第二gan层之间；

所述第一gan层为掺杂mg的gan层，所述第二gan层为掺杂mg和in的gan层，所述第一gan层中mg的浓度高于所述第二gan层中mg的浓度，所述第一gan层的厚度大于所述第二gan层的厚度。

可选地，所述第一gan层中mg浓度是所述第二gan层中mg浓度的1～3倍。

可选地，所述第一gan层中mg浓度为5×10²⁰/cm³～1×10²¹/cm³。

可选地，所述多量子阱层包括若干量子阱垒层，各个所述量子阱垒层包括ingan阱层和gan垒层；

所述第二gan层中in浓度是所述ingan阱层中in浓度的1/20～1/4。

可选地，所述第二gan层中in浓度是1×10¹⁸/cm³～5×10¹⁸/cm³。

可选地，所述第一gan层的厚度为1～1.5nm，所述第二gan层的厚度为0.2～0.8nm。

可选地，所述活化p型接触层还包括第三gan层，所述第三gan层位于所述第一gan层和所述第二gan层之间；

所述第三gan层为掺杂si的gan层，所述第三gan层的厚度小于所述第一gan层的厚度、且大于所述第二gan层的厚度。

可选地，所述第三gan层的厚度为0.5～1nm。

可选地，所述第三gan层中si浓度是所述n型层中si浓度的1/10～1/4。

另一方面，提供了一种gan基发光二极管外延片的制备方法，所述方法包括：

提供衬底，并对所述衬底进行预处理；

依次在所述衬底上沉积低温gan层、高温gan层、n型层、多量子阱层、电子阻挡层、p型层和活化p型接触层；所述活化p型接触层包括第一gan层和第二gan层，所述第一gan层位于所述p型层与所述第二gan层之间；所述第一gan层为掺杂mg的gan层，所述第二gan层为掺杂mg和in的gan层，所述第一gan层中mg的浓度高于所述第二gan层中mg的浓度，所述第一gan层的厚度大于所述第二gan层的厚度。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过活化p层接触层包括第一gan层和第二gan层，第一gan层位于p型层与第二gan层之间，即led芯片的ito层将覆盖在第二gan层上，并且，第一gan层为掺杂mg的gan层，掺杂的mg能够活化产生空穴；第二gan层为掺杂mg和in的gan层，第二gan层中掺杂的mg能够在in的催化作用下产生较多的空穴，掺杂的in能够与ito层形成较好的接触；第一gan层中mg的浓度高于第二gan层中mg的浓度且第一gan层的厚度大于第二gan层的厚度，一方面，能够保证靠近多量子阱层的第一gan层中产生较大数量的空穴，提高led发光效率；另一方面，第一gan层未掺杂in，而第二gan层又比较薄，整个活化p层接触层中掺杂的in的数量比较少，减少了in对led发光的吸收，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gan基发光二极管外延片的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的第一gan层中mg浓度的变化与led发光亮度的变化的对照关系示意图；

图3是本发明实施例提供的第二gan层中in浓度的变化与led发光亮度的变化的对照关系示意图；

图4是本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的第三gan层中si浓度的变化与led发光亮度的变化的对照关系示意图；

图6是本发明实施例提供的一种gan基发光二极管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。

图1示出了本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片。参见图1，该gan基发光二极管外延片包括：衬底11、以及依次在衬底11上沉积的低温gan层12、高温gan层13、n型层14、多量子阱层15、电子阻挡层16、p型层17和活化p型接触层18。活化p型接触层18包括第一gan层181和第二gan层182。第一gan层181位于p型层17与第二gan层182之间。第一gan层181为掺杂mg的gan层，第二gan层182为掺杂mg和in的gan层。第一gan层181中mg的浓度高于第二gan层182中mg的浓度，第一gan层181的厚度大于第二gan层182的厚度。

本发明实施例通过活化p层接触层18包括第一gan层181和第二gan层182，第一gan层181位于p型层17与第二gan层182之间，即led芯片的ito层将覆盖在第二gan层182上，并且，第一gan层181为掺杂mg的gan层，掺杂的mg能够活化产生空穴；第二gan层182为掺杂mg和in的gan层，第二gan层182中掺杂的mg能够在in的催化作用下产生较多的空穴，掺杂的in能够与ito层形成较好的接触；第一gan层181中mg的浓度高于第二gan层182中mg的浓度且第一gan层181的厚度大于第二gan层182的厚度，一方面，能够保证靠近多量子阱层15的第一gan层181中产生较大数量的空穴，提高led发光效率；另一方面，第一gan层181未掺杂in，而第二gan层182又比较薄，整个活化p层接触层18中掺杂的in的数量比较少，减少了in对led发光的吸收，从而提高了led的发光效率。

图2示出了第一gan层181中mg浓度的变化与led发光亮度的变化的对照关系。图2中，横轴表示第一gan层181中mg浓度与第二gan层182中mg浓度的比例关系，纵轴表示led的发光亮度(单位为mw)。参见图2，随着第一gan层181中mg浓度从第二gan层182中mg浓度开始增加，led发光亮度随之增加；当mg浓度达到第二gan层182中mg浓度的3倍时，led发光亮度增至最大值115mw；接着随着mg浓度的增加，led发光亮度开始减小。具体地，当第一gan层181中mg浓度低于第二gan层182中mg浓度时，第一gan层181中mg浓度较低而影响空穴的产生和移动，led发光亮度较低；当第一gan层181中mg浓度高于第二gan层182中mg浓度的3倍时，第一gan层181中mg浓度会因为mg含量太高而产生自补偿效应，降低了空穴的产生，led发光亮度较低。当第一gan层181中mg浓度是第二gan层182中mg浓度的1～3倍时，led发光亮度在105mw以上，超过了led发光亮度的平均水平。基于此，在本实施例中，第一gan层181中mg浓度是第二gan层182中mg浓度的1～3倍；能够保证足够数量的有效空穴的产生。优选地，第一gan层181中mg浓度是第二gan层182中mg浓度的1.5～3倍，这时，led发光亮度在110mw附近及110mw以上，极大地超过了led发光亮度的平均水平。可见，当第一gan层181中mg浓度是第二gan层182中mg浓度的1.5～3倍时，能够保证特别多的有效空穴的产生。

示例性地，第一gan层181中mg浓度可以为5×10²⁰/cm³～1×10²¹/cm³。由于在一定范围内mg掺杂越多，空穴越多，但达到一定程度后mg会产生自补偿效应又会降低产生的空穴浓度。当第一gan层181中mg浓度为5×10²⁰/cm³～1×10²¹/cm³时，第一gan层181中mg产生的空穴最多且自补偿效应最小。

其中，多量子阱层15包括若干量子阱垒层，各个量子阱垒层包括ingan阱层和gan垒层。其中，ingan阱层的厚度为2-3nm，gan垒层的厚度为8-11nm。多量子阱层可以包括11-13个量子阱垒层，多量子阱层15的总厚度为130-160nm。

图3示出了第二gan层182中in浓度的变化与led发光亮度的变化的对照关系。图3中，横轴表示第二gan层182中in浓度与ingan阱层中in浓度的比例关系，纵轴表示led的发光亮度(单位为mw)。参见图3，随着第二gan层182中in浓度从ingan阱层中in浓度的0.05(1/20)开始增加，led发光亮度随之增加；当in浓度达到ingan阱层中in浓度的0.15时，led发光亮度增至最大值114mw；接着随着in浓度的增加，led发光亮度开始减小。示例性地，第二gan层182中in浓度可以是ingan阱层中in浓度的1/20～1/4，这时，led的亮度在105mw之上，高于平均水平。若第二gan层182中in浓度小于ingan阱层中in浓度的1/20，第二gan层182会因为in的浓度较低，一方面对mg的催化效果很小，另一方面与芯片的ito层接触也会变差。若第二gan层182中in浓度大于ingan阱层中in浓度的大于1/4，第二gan层182会因为in的浓度较大而增加了in对发光的吸收。优选地，第二gan层中in浓度是ingan阱层中in浓度的1/10～1/6，这时，led的亮度在110mw之上，远高于平均水平。示例性地，第二gan层182中in浓度可以是1×10¹⁸/cm³～5×10¹⁸/cm³。

示例性地，第一gan层181的厚度可以为1～1.5nm，第二gan层182的厚度可以为0.2～0.8nm。若第二gan层182的厚度小于0.2nm，会因为厚度较薄而影响到芯片ito层的接触效果。若第二gan层182的厚度大于0.8nm，会因为厚度较厚吸光较多而影响到整体发光效率的提高。优选地，第二gan层182的厚度为0.3～0.8nm，可保证与芯片ito层的接触效果又不会因为厚度较厚而吸光。

参见图4，活化p型接触层18还可以包括第三gan层183，第三gan层183位于第一gan层181和第二gan层182之间。第三gan层183为掺杂si的gan层。第三gan层183的厚度小于第一gan层181的厚度、且大于第二gan层182的厚度。

si相较于mg其电阻大大减少，因此掺杂si的第三gan层183的电流扩展能力得到增强，能够补偿第一gan层181中空穴数量过多时mg产生自补偿效应导致空穴数量减少时对led发光亮度的影响，进而提高led的发光亮度。并且，由于第三gan层183的电流扩展能力得到增强，进而使得整个活化p型接触层18的电流扩展能力得到增强，第二gan层182中可以掺杂更少的in作为催化剂激活mg，进一步地减少in吸收光，提高了led的发光亮度。

图5示出了第三gan层183中si浓度的变化与led发光亮度的变化的对照关系。图5中，横轴表示第三gan层183中si浓度与n型层14中si浓度的比例关系，纵轴表示led的发光亮度(单位为mw)。参见图5，随着第三gan层183中si浓度从n型层14中si浓度的0.05(1/20)开始增加，led发光亮度随之增加；当si浓度达到n型层14中si浓度的0.2(1/5)时，led发光亮度增至最大值；接着随着si浓度的增加，led发光亮度开始减小。具体地，当第三gan层183中si浓度低于n型层14中si浓度的1/10时，第三gan层183中掺杂si的浓度较低而影响到横向电流的扩展，led发光亮度较低。当第三gan层183中si浓度大于n型层14中si浓度的1/4时，第三gan层183中si的浓度较高而影响到此层的晶体质量，led发光亮度较低。当第三gan层183中si浓度是n型层14中si浓度的1/10～1/4时，led发光亮度在105mw以上，超过了led发光亮度的平均水平。基于此，在本实施例中，第三gan层183中si浓度是n型层14中si浓度的1/10～1/4。优选地，第三gan层183中si浓度是n型层14中si浓度的1/8～1/5，这时，led发光亮度在110mw以上，大大地超过了led发光亮度的平均水平。可见，当第三gan层183中si浓度是n型层14中si浓度的1/10～1/8时，能够极大地提高横向电流的扩展。

示例性地，第三gan层中si浓度为1×10¹⁸/cm³～5×10¹⁸/cm³。

示例性地，第三gan层183的厚度为0.5～1nm。活化p型接触层18的厚度在1.7～3.3nm。优选地，活化p型接触层18的厚度不超过3nm。

图6示出了本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片的制备方法，该制备方法可以是mocvd(metalorganicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法。mocvd设备可以选用型号为veecok465iorc4的mocvd设备。在制备gan基发光二极管外延片时，可以采用高纯h2(氢气)或高纯n2(氮气)或高纯h2和高纯n2的混合气体作为载气。高纯nh3作为n源，三甲基镓(tmga)及三乙基镓(tega)作为镓源，三甲基铟(tmin)作为铟源，三甲基铝(tmal)作为铝源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂。参见图6，该方法流程包括如下步骤。

步骤501、提供衬底，并对衬底进行预处理。

预处理方式可以包括：在氢气气氛下，高温处理衬底5～6min。在对衬底进行预处理时，mocvd设备的反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～500torr。衬底可以是蓝宝石衬底。

步骤502、依次在衬底上沉积低温gan层、高温gan层、n型层、多量子阱层、电子阻挡层、p型层和活化p型接触层。

在本实施例中，低温gan层即低温缓冲层，低温gan层生长在蓝宝石衬底的[0001]面上。低温gan层的厚度可以为15～30nm。生长低温gan层时，反应室温度可以为530～560℃，反应室压力可以控制在200～500torr。

在本实施例中，高温gan层即高温缓冲层，可以为不掺杂的gan层，厚度可以为2～3.5μm。生长高温缓冲层时，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～600torr。

在本实施例中，n型层可以为掺si的gan层，厚度可以为2～3μm。生长n型层时，反应室温度可以为1000～1100℃，反应室压力可以控制在200～300torr。

在本实施例中，多量子阱层可以包括多个量子阱垒层，各个量子阱垒层包括ingan阱层和gan垒层。其中，ingan阱层的厚度可以为2～3nm，gan垒层的厚度可以为8～11nm。多量子阱层可以包括11～13个量子阱垒层，多量子阱层的总厚度可以为130～160nm。

生长多量子阱层时，反应室的压力可以控制在200torr。生长ingan阱层时，反应室温度可以为760～780℃。生长gan垒层时，反应室温度可以为860～890℃。

在本实施例中，电子阻挡层可以为掺al、掺mg的alyga1～yn(y＝0.15～0.25)，电子阻挡层的厚度可以为30～50nm。生长电子阻挡层时，反应室温度可以为930～970℃，反应室压力可以控制在100torr。

在本实施例中，p型层可以为高温高掺杂mg的gan层，其厚度可以为50～80nm。生长p型层时，反应室温度可以为940～980℃，反应室压力可以控制在200～600torr。

在本实施例中，活化p型接触层包括第一gan层和第二gan层，第一gan层位于第二gan层与p型层之间；第一gan层为掺杂mg的gan层，第二gan层为掺杂mg和in的gan层。

第一gan层中mg的浓度高于第二gan层中mg的浓度。示例性地，第一gan层中mg浓度是第二gan层中mg浓度的1～3倍。优选地，第一gan层中mg浓度是第二gan层中mg浓度的1.5～3倍。示例性地，第一gan层中mg浓度为5×10²⁰/cm³～1×10²¹/cm³。

第二gan层中in浓度是ingan阱层中in浓度的1/15～1/6。优选地，第二gan层中in浓度是ingan阱层中in浓度的1/10～1/6。示例性地，第二gan层中in浓度是1×10¹⁸/cm³～5×10¹⁸/cm³。

第一gan层的厚度大于第二gan层的厚度。示例性地，第一gan层的厚度为1～1.5nm，第二gan层的厚度为0.2～0.8nm。

活化p型接触层还包括第三gan层，第三gan层位于第一gan层和第二gan层之间。

第三gan层为掺杂si的gan层。示例性地，第三gan层中si浓度是n型层中si浓度的1/10～1/5。优选地，第三gan层中si浓度是n型层中si浓度的1/8～1/5。示例性地，第三gan层中si浓度为1×10¹⁸/cm³～5×10¹⁸/cm³。

第三gan层的厚度小于第一gan层的厚度、且大于第二gan层的厚度。示例性地，第三gan层183的厚度为0.5～1nm。

活化p型接触层18的厚度在1.7～3.3nm。优选地，活化p型接触层18的厚度不超过3nm。

生长第一gan层、第二gan层、以及第三gan层时，反应室温度可以为700-780℃，反应室压力可以控制在200-500torr。

完成外延片的制备之后，可以在活化p型接触层上沉积ito层，并制作电极，得到led芯片。

本发明实施例通过活化p层接触层包括第一gan层和第二gan层，第一gan层位于p型层与第二gan层之间，即led芯片的ito层将覆盖在第二gan层上，并且，第一gan层为掺杂mg的gan层，掺杂的mg能够活化产生空穴；第二gan层为掺杂mg和in的gan层，第二gan层中掺杂的mg能够在in的催化作用下产生较多的空穴，掺杂的in能够与ito层形成较好的接触；第一gan层中mg的浓度高于第二gan层中mg的浓度且第一gan层的厚度大于第二gan层的厚度，一方面，能够保证靠近多量子阱层的第一gan层中产生较大数量的空穴，提高led发光效率；另一方面，第一gan层未掺杂in，而第二gan层又比较薄，整个活化p层接触层中掺杂的in的数量比较少，减少了in对led发光的吸收，从而提高了led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。