发光二极管的外延片及其制作方法与流程

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其制作方法。

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。

目前gan基led外延片通常包括衬底和在衬底上依次生长的缓冲层、u型gan层、n型gan层、发光层和p型层。led通电后，载流子(包括n型gan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：

为了提高led的亮度，外延片通常还包括布拉格反射层，但是现有的布拉格反射层提高led亮度的效果不能满足目前市场的需要。

技术实现要素：

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，能够进一步提高led的亮度。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形成在所述衬底上的缓冲层、u型gan层、布拉格反射层、n型gan层、n型algan层、应力释放层、发光层和p型层，所述布拉格反射层包括交替层叠的多层aln层和多层algan层。

可选地，所述aln层的厚度和所述algan层的厚度均为应用波长的1/4。

可选地，所述多层aln层和所述多层algan层交替层叠的周期数为1～20。

可选地，所述aln层的折射率为1.87～2.2，所述algan层的折射率为2.22～2.27。

可选地，所述应力释放层包括交替层叠的inxga1-xn层和gan层，0<x＜1。

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：

提供一衬底；

在所述衬底上依次外延生长缓冲层、u型gan层、布拉格反射层、n型gan层、n型algan层、应力释放层、发光层和p型层，所述布拉格反射层包括交替层叠的多层aln层和多层algan层。

可选地，所述布拉格反射层的生长温度为1000～1200℃。

可选地，所述布拉格反射层的生长压力为100～300torr。

可选地，所述应力释放层的生长温度为830～870℃。

可选地，所述p型层的生长温度为850～1080℃。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括是：通过在衬底上依次形成有缓冲层、u型gan层、布拉格反射层、n型gan层、应力释放层、发光层和p型层，其中布拉格反射层包括交替层叠的多层aln层和多层algan层，由于aln层的折射率小于algan层的折射率，且aln层和algan层的折射率均小于n型gan层的折射率，发光层发出的光在通过n型gan层和布拉格反射层的界面时会发生全反射，且在通过aln层和algan层的界面时也会发生全反射，使向衬底一侧发出的光被反射向p型层一侧，从而提高出光效率，使led的亮度得到提高。

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发光层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制作方法流程图；

图4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5～11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，该外延片包括衬底10和依次形成在衬底10上的缓冲层20、u型gan层30、布拉格反射层40、n型gan层50、n型algan层60、应力释放层70、发光层80和p型层90。

如图1所示，布拉格反射层40包括交替层叠的多层aln层41和多层algan层42。

本发明实施例通过在衬底上依次形成有缓冲层、u型gan层、布拉格反射层、n型gan层、应力释放层、发光层和p型层，其中布拉格反射层包括交替层叠的多层aln层和多层algan层，由于aln层的折射率小于algan层的折射率，且aln层和algan层的折射率均小于n型gan层的折射率，发光层发出的光在通过n型gan层和布拉格反射层的界面时会发生全反射，且在通过aln层和algan层的界面时也会发生全反射，使向衬底一侧发出的光被反射向p型层一侧，从而提高出光效率，使led的亮度得到提高。

此外，由于aln的晶格常数与gan的晶格常数相差较大，algan的晶格常数介于aln与gan之间，采用多层aln层和多层algan层交替还有利于减小外延片中的缺陷。

可选地，衬底10可以为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底为一种常用衬底，技术成熟，成本低。在其他实施例中，也可以为si衬底和sic衬底。

缓冲层20可以是aln缓冲层。aln缓冲层的厚度可以为15～35nm，生长的aln缓冲层的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若aln缓冲层的厚度过薄，则会导致aln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aln缓冲层厚度的增加，aln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aln缓冲层的厚度过厚，则会导致aln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。

可选地，u型gan层30的厚度可以为0.8～1.2μm，在本实施例中，u型gan层30的厚度为1μm。

如图1所示，布拉格反射层40包括交替层叠的多层aln层41和多层algan层42，其中，多层aln层41和多层algan层42交替层叠的周期数可以为1～20(图1中仅示例性地示出了2层aln层41和2层algan层42)。交替层叠的周期数越多，布拉格反射层40的反射作用越强，但周期数过多会加大制作的难度，增大外延片的厚度。交替层叠的周期数优选为5～10，这样既有较高的反射作用，制作难度也不会太高。

可选地，aln层41的厚度和algan层42的厚度均可以为应用波长的1/4。这里应用波长指的是采用该外延片制作的led的发光波长，例如需要制作发光波长为460nm的led，则制作该led的外延片的应用波长为460nm，aln层41的厚度和algan层42的厚度均可以为115nm。将aln层41的厚度和algan层42的厚度均设置为应用波长的1/4能够进一步提高反射率，减少透过布拉格反射镜40的光。

可选地，aln层41的折射率可以为1.87～2.2，algan层42的折射率可以为2.22～2.27。n型gan层50的折射率通常为2.33～2.67，通过测试，采用这样的折射率设置，光线在n型gan层50和布拉格反射层40的界面可以发生较强的全反射，且光线在通过aln层41和algan层42的界面时也会发生较强的全反射，能够较好的提高led的亮度。

可选地，n型gan层50的厚度可以为1～3μm，在本实施例中，n型gan层50的厚度为2μm。

n型gan层50中的si的掺杂浓度可以为10¹⁹～9×10¹⁹cm^-3。

n型algan层60的厚度可以为50～100nm。在本实施例中，n型algan层60的厚度为80μm。n型algan层60可以有利于降低外延片中的缺陷，利于应力释放层70释放应力。

如图1所示，应力释放层70包括交替层叠的inxga1-xn层71和gan层72，0<x＜1。inxga1-xn层71的层数和gan层72的层数均可以为5～10层(图1中仅示例性地示出了其中的2层inxga1-xn层71和2层gan层72)，其中，直接生长在n型algan层60上的为一层inxga1-xn层71。通过多层inxga1-xn层71和多层gan层72的交替层叠，可以逐渐降低外延片中的应力，有利于后续发光层的生长，提高最终的外延片的晶体质量。

图2是本发明实施例提供的一种发光层的结构示意图，如图2所示，发光层80可以包括交替层叠的10～15个周期的inyga1-yn层81和gan层82，0<y<1，其中，inyga1-yn层81的厚度可以为2～4nm，gan层82的厚度可以为8～10nm，本实施例中，inyga1-yn层81的厚度为3nm，gan层82的厚度为9nm。

需要说明的是，图2中所示出的inyga1-yn层81和gan层82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90可以包括依次层叠的第一p型gan层91、电子阻挡层92和第二p型gan层93。第一p型gan层91的厚度可以为10～100nm，第二p型gan层93的厚度可以为80～200nm，电子阻挡层92可以包括交替层叠的多层algan层和多层gan层，电子阻挡层92的总厚度可以为20～60nm。

图3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3所示，该制作方法包括：

s11：提供一衬底。

本实施例中，选用蓝宝石衬底。

s12：在衬底上依次外延生长缓冲层、u型gan层、布拉格反射层、n型gan层、n型algan层、应力释放层、发光层和p型层。

其中，布拉格反射层包括交替层叠的多层aln层和多层algan层。

本发明实施例通过在衬底上依次形成有缓冲层、u型gan层、布拉格反射层、n型gan层、应力释放层、发光层和p型层，其中布拉格反射层包括交替层叠的多层aln层和多层algan层，由于aln层的折射率小于algan层的折射率，且aln层和algan层的折射率均小于n型gan层的折射率，发光层发出的光在通过n型gan层和布拉格反射层的界面时会发生全反射，且在通过aln层和algan层的界面时也会发生全反射，使向衬底一侧发出的光被反射向p型层一侧，从而提高出光效率，使led的亮度得到提高。

此外，由于aln的晶格常数与gan的晶格常数相差较大，algan的晶格常数介于aln与gan之间，采用多层aln层和多层algan层交替还有利于减小外延片中的缺陷。

图4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5～11对图4提供的制作方法进行详细说明：

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，技术成熟，成本低。

在步骤s21中，可以对蓝宝石衬底进行预处理，具体可以包括在氢气气氛中对蓝宝石衬底进行退火8分钟，退火温度为1000～1200℃，再对蓝宝石衬底进行氮化处理。

在其他实施例中，也可以为si衬底和sic衬底。

s22：在衬底上外延生长缓冲层。

如图5所示，在衬底10上生长有aln缓冲层20。

其中，aln缓冲层20的厚度可以为15～35nm，生长的aln缓冲层的厚度不同，最终形成的外延层的质量也会不同，若aln缓冲层的厚度过薄，则会导致aln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aln缓冲层厚度的增加，aln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aln缓冲层的厚度过厚，则会导致aln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。

s23：在缓冲层上生长u型gan层。

如图6所示，在aln缓冲层上生长有u型gan层30。u型gan层30的厚度可以为0.8～1.2μm，在本实施例中，u型gan层30的厚度为1μm。

u型gan层30的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为100torr～300torr。本实施例中，u型gan层30的生长温度为1100℃，生长压力为200torr。

s24：在u型gan层上生长布拉格反射层。

如图7所示，在u型gan层30上生长有布拉格反射层40。

布拉格反射层40包括交替层叠的多层aln层41和多层algan层42，其中，多层aln层41和多层algan层42交替层叠的周期数可以为1～20。交替层叠的周期数越多，布拉格反射层40的反射作用越强，但周期数过多会加大制作的难度，增大外延片的厚度。交替层叠的周期数优选为5～10，这样既有较高的反射作用，制作难度也不会太高。

实现时，布拉格反射层40的生长温度可以为1000～1200℃。即多层aln层41和多层algan层42的生长温度均为1000～1200℃，在相同的温度条件下生长多层aln层41和多层algan层42，可以便于布拉格反射层40的制作。

布拉格反射层40的生长压力可以为100～300torr。即多层aln层41和多层algan层42的生长压力均为100～300torr，在相同的压力条件下生长多层aln层41和多层algan层42，可以便于布拉格反射层40的制作。

在本实施例中，多层aln层41和多层algan层42的生长温度均为1100℃，生长压力均为200torr。多层aln层41和多层algan层42可以在相同的生长温度和生长压力的条件下制作，有利于布拉格反射层40的制作，降低了生产难度。

s25：在布拉格反射层上生长n型gan层。

如图8所示，在布拉格反射层40上生长有n型gan层50。

实现时，n型gan层50的厚度可以为1～3μm，在本实施例中，n型gan层50的厚度为2μm。n型gan层50中的si的掺杂浓度可以为10¹⁹～9×10¹⁹cm^-3。

n型gan层50的生长温度可以为1000～1200℃，生长压力可以为100torr～300torr。

需要说明的是，n型gan层50还可以采用其他掺杂，例如ge。

s26：在n型gan层上生长n型algan层。

如图9所示，在n型gan层50上生长有n型algan层60。

实现时，n型algan层60的厚度可以为50～100nm，在本实施例中，n型algan层60的厚度为80μm。

n型algan层60的生长温度可以为1000～1200℃，生长压力可以为100torr～300torr。其生长环境可以与n型gan层50的生长环境相同。

s27：在n型algan层上生长应力释放层。

如图10所示，在n型algan层60上生长有应力释放层70。

应力释放层70包括交替层叠的inxga1-xn层71和gan层72，直接生长在n型algan层60上的为一层inxga1-xn层71，0<x＜1(图10中仅示例性地示出了其中的2层inxga1-xn层71和2层gan层72)。inxga1-xn层71的层数和gan层72的层数均可以为5～10层，通过多层inxga1-xn层71和多层gan层72的交替层叠，可以逐渐降低外延片中的应力，有利于后续发光层的生长，提高最终的外延片的晶体质量。

inxga1-xn层71和gan层72的生长温度均可以为830～870℃，本实施例中，inxga1-xn层71和gan层72的生长温度均控制在850℃。

s28：在应力释放层上生长发光层。

如图11所示，在应力释放层70上生长有发光层80。

具体地，发光层80可以包括交替层叠的10～15个周期的inyga1-yn层81和gan层82，其中，0<y<1。

可选地，inyga1-yn层81的厚度可以为2～4nm，gan层82的厚度可以为8～10nm，本实施例中，inyga1-yn层81的厚度为3nm，gan层82的厚度为9nm。

实现时，inyga1-yn层81的生长温度可以为780～820℃，生长压力可以为100～500torr。gan层82的生长温度可以为910～950℃，生长压力可以为100～500torr。在本实施例中，inyga1-yn层81的生长温度设置为800℃，gan层82的生长温度设置为930℃，inyga1-yn层81和gan层82的生长压力均为300torr。

需要说明的是，图11中所示出的inyga1-yn层81和gan层82的层数仅为示意，并不用以限制其各自的层数。

s29：在发光层上生长p型层。

参照图1，在发光层80上生长有p型层90。

可选地，p型层90为复合层，具体地，p型层90可以包括依次层叠的第一p型gan层91、电子阻挡层92和第二p型gan层93。

电子阻挡层92可以包括交替层叠的多层algan层和多层gan层，电子阻挡层的总厚度可以为20～60nm。

电子阻挡层92的生长温度可以为850～1080℃，生长压力可以为200～500torr。

第一p型gan层91的厚度可以为10～100nm，第二p型gan层93的厚度可以为80～200nm。

第一p型gan层91和第二p型gan层93的生长温度均可以为850～1080℃，生长压力均可以为100～300torr。

在完成p型层90的生长后，可以在氨气气氛中进行退火处理，退火温度为650～850℃，退火处理时间为5～15分钟。

在完成步骤s29后可以对外延片进行后续加工，以完成led芯片的制作。

在具体实现时，本发明实施例可以采用高纯h2或者n2作为载气，分别采用tega或tmga、tmal、tmin和nh3分别作为ga源、al源、in源和n源，并可以分别采用sih4和cp2mg作为n型和p型掺杂剂，还可以采用teesi(四乙基硅)和si2h6作为si源，可以采用金属有机化学气相沉积设备或者其他设备完成外延片的生长。

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。