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gan基发光二极管领域，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：

gan(氮化镓)基led(lightemittingdiode，发光二极管)，又称gan基led芯片，一般包括外延片和在外延片上制备的电极。外延片通常包括：衬底、以及在衬底上生长的gan基外延层。gan基外延层包括顺次层叠的缓冲层、未掺杂gan层、n型gan层、n型algan层、mqw(multiplequantumwell，多量子阱)层、电子阻挡层、p型gan层和接触层。当有电流注入gan基led时，n型gan层等n型区的电子和p型gan层等p型区的空穴进入mqw有源区并且复合，发出可见光。

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：由于衬底(碳化硅、蓝宝石、硅片等)与gan之间存在晶格常数的差异，在衬底上生长gan基外延层的过程中会积累应力和缺陷，例如，n型algan层的线缺陷密度较高，在沉积过程中的应力释放导致位错的产生即向上延伸的漏电通道，这将影响底层及量子阱区的长晶质量，影响载流子输运和量子效率。

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，能够有效堵住底层漏电通道，提升底层以及量子阱区的长晶质量。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种gan基发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括：衬底、在所述衬底上顺次沉积的gan缓冲层、未掺杂gan层、n型掺杂gan层、缺陷阻挡层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层、以及p型接触层，所述缺陷阻挡层包括aln子层和n型掺杂algan子层，所述aln子层位于所述n型掺杂gan层与所述n型algan子层之间。

可选地，所述aln子层的厚度为50～150nm，所述n型掺杂algan子层的厚度为50～100nm。

可选地，所述n型掺杂algan子层中al的摩尔浓度小于或等于0.2。

可选地，所述n型掺杂algan子层的n型掺杂为si掺杂，si掺杂浓度为1.5*10¹⁸cm^-3～3*10¹⁸cm^-3。

第二方面，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；

在所述衬底上顺次沉积gan缓冲层、未掺杂gan层、n型掺杂gan层、缺陷阻挡层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层、以及p型接触层，所述缺陷阻挡层包括aln子层和n型掺杂algan子层，所述aln子层位于所述n型掺杂gan层与所述n型algan子层之间。

可选地，所述aln子层的厚度为50～150nm，所述n型掺杂algan子层的厚度为50～100nm。

可选地，所述n型掺杂algan子层中al的摩尔浓度小于或等于0.2。

可选地，所述n型掺杂algan子层的n型掺杂为si掺杂，si掺杂浓度为1.5*10¹⁸cm^-3～3*10¹⁸cm^-3。

可选地，所述aln子层的生长温度为1000～1300℃，所述n型掺杂algan子层的生长温度为800～1100℃。

可选地，所述aln子层和所述n型掺杂algan子层的生长压力均为300～500torr。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过缺陷阻挡层包括aln子层和n型掺杂algan子层，aln子层位于n型掺杂gan层与n型algan子层之间，相比于传统的n型掺杂algan缺陷阻挡层，增加了一层aln，由于aln可增加algan子层表面al原子的迁移率，使algan子层中al的掺杂更加均匀，使得该层的长晶质量变好，因此，可以减小缺陷阻挡层的缺陷密度，堵住底层漏电通道，这将有效提高缺陷阻挡层的晶体质量以及阱区氮化镓的长晶质量，继而提升发光二极管的抗静电能力及量子阱区载流子复合效率，提升器件发光效率。

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和图2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；

图3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。

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的制备方法。参见图1，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、提供衬底。

步骤102、在衬底上顺次沉积gan缓冲层、未掺杂gan层、n型掺杂gan层、缺陷阻挡层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层、以及p型接触层。

其中，缺陷阻挡层包括aln子层和n型掺杂algan子层，aln子层位于n型掺杂gan层与n型algan子层之间。

本发明实施例通过缺陷阻挡层包括aln子层和n型掺杂algan子层，aln子层位于n型掺杂gan层与n型algan子层之间，相比于传统的n型掺杂algan缺陷阻挡层，增加了一层aln，由于aln可增加algan子层表面al原子的迁移率，使algan子层中al的掺杂更加均匀，使得该层的长晶质量变好，因此，可以减小缺陷阻挡层的缺陷密度，堵住底层漏电通道，这将有效提高缺陷阻挡层的晶体质量以及阱区氮化镓的长晶质量，继而提升发光二极管的抗静电能力及量子阱区载流子复合效率，提升器件发光效率。

图2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。参见图2，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、提供衬底，并将衬底放置到mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备的反应腔中。

示例性地，衬底可以是pss(patternedsapphiresubstrate，图形化蓝宝石衬底)。pss是在蓝宝石衬底(al2o3)上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用icp(inductivelycoupledplasma，反应耦合等离子体)刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜后形成。在pss上生长gan材料，使gan材料的纵向外延变为横向外延。一方面可以有效减少gan外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高led的寿命；另一方面有源区发出的光，经gan和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装led的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。

具体地，将衬底放置到mocvd设备的反应腔中的衬底托盘上，并对衬底托盘进行加热和驱动衬底托盘转动。示例性地，衬底托盘可以是石墨托盘。衬底托盘转动时，衬底将随衬底托盘转动。

在本实施例中，将通过mocvd方法生长衬底上的gan基外延层。在mocvd方法中，可以采用高纯氮气或者氢气作为载气，氨气作为氮源，三甲基镓或三乙基镓作为镓源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，n型掺杂剂选用硅烷，p型掺杂剂选用二茂镁。需要说明的是，下述生长过程中控制的温度和压力实际上是指mocvd设备的反应腔内的温度和压力。

步骤202、对衬底进行处理。

其中，对衬底进行处理是为了清洁衬底表面。示例性地，对衬底的处理方式包括：在反应腔内的氢气气氛中并保持温度在1000℃-1200℃间，退火8分钟；在退火之后进行氮化处理。

步骤203、在衬底上沉积gan缓冲层。

步骤203可以包括：将反应腔的温度下降至400℃-600℃，保持生长压力在400torr至600torr间，生长15至35nm厚的低温gan缓冲层缓冲层。

步骤204、对gan缓冲层进行退火处理。

其中，退火温度在1000℃～1200℃，压力区间为400torr～600torr，时间在5分钟～10分钟。

步骤205、在gan缓冲层上沉积未掺杂gan层。

示例性地，未掺杂gan层的生长温度为1000℃-1100℃，生长厚度为1至5微米，生长压力为100torr至500torr。

步骤206、在未掺杂gan层上沉积n型掺杂gan层。

示例性地，n型掺杂gan层的厚度在1～5微米之间，生长温度在1000℃～1200℃，生长压力在100torr至500torr之间，si掺杂浓度在1×10¹⁸cm^-3～1×10¹⁹cm^-3之间。

步骤207、在n型掺杂gan层上沉积缺陷阻挡层。

其中，缺陷阻挡层包括aln子层和n型掺杂algan子层，aln子层位于n型掺杂gan层与n型algan子层之间。基于此，本步骤207包括如下步骤。

第一步、在n型掺杂gan层上沉积aln子层。

示例性地，aln子层的生长温度为1000～1300℃，生长压力为300～500torr，aln子层的厚度为50～150nm。

第二步、在aln子层上沉积n型掺杂algan子层。

示例性地，n型掺杂algan子层的生长温度低于aln子层的生长温度，n型掺杂algan子层的生长温度为800～1100℃，n型掺杂algan子层的生长压力为300～500torr，n型掺杂algan子层的厚度为50～100nm。

通过aln子层采用高温生长，而n型掺杂algan子层的生长温度稍低于aln子层的生长温度，由于温度较高时位于algan子层之前的aln层可进一步增加algan层表面al原子的迁移率，使algan层中al的掺杂更加均匀，使得该层的长晶质量变好减小缺陷密度。

示例性地，n型掺杂algan子层中al的摩尔浓度小于或等于0.2。优选地，n型掺杂algan子层中al的摩尔浓度为0.1～0.2。通过n型掺杂algan子层具有较低的al组分含量，一方面能够实现强度合适的电子阻挡效果，另一方面能够避免掺杂过多导致器件电压增加。

示例性地，n型掺杂algan子层的n型掺杂为si掺杂，si掺杂浓度为1.5*10¹⁸cm^-3～3*10¹⁸cm^-3。

示例性地，n型掺杂algan子层中si掺杂浓度低于n型掺杂gan层中si掺杂浓度。通过n型掺杂algan子层具有较低的si掺杂浓度，si掺浓度低，减少外延片中杂质掺杂，避免过度增加杂质掺杂而增加缺陷密度。

下面介绍一下当aln子层与n型掺杂algan子层的厚度固定时，aln子层的生长温度、algan子层al摩尔浓度、以及algan子层si浓度三者变化对外延片制成的led芯片的晶体质量(良率)和发光亮度的影响。表1示出了当aln子层的厚度为20-50nm且n型掺杂algan子层厚度为50-150nm时，aln子层的生长温度、algan子层al摩尔浓度、以及algan子层si浓度三者变化对外延片制成的led芯片的晶体质量(良率)和发光亮度的影响。从表1可以看出，当aln子层的厚度为20-50nm且n型掺杂algan子层厚度为50-150nm时，aln子层温度取800-1000℃、algan子层al摩尔浓度≤0.2、以及algan子层si浓度取0.5e18cm^-3～1.5e18cm^-3，这时，led芯片的亮度最大，达到197.6mw，而led芯片良率达到98.5％。

表1

表2示出了当aln子层的厚度为50-150nm且n型掺杂algan子层厚度为50-150nm时，aln子层的生长温度、algan子层al摩尔浓度、以及algan子层si浓度三者变化对外延片制成的led芯片的晶体质量(良率)和发光亮度的影响。从表2可以看出，当aln子层的厚度为50-150nm且n型掺杂algan子层厚度为50-150nm时，aln子层温度取1000-1300℃、algan子层al摩尔浓度≤0.2、以及algan子层si浓度取1.5e18cm^-3～3e18cm^-3，这时，led芯片的亮度最大，达到198.2mw，而led芯片良率达到99.2％。

表2

表3示出了当aln子层的厚度为150-200nm且n型掺杂algan子层厚度为50-150nm时，aln子层的生长温度、algan子层al摩尔浓度、以及algan子层si浓度三者变化对外延片制成的led芯片的晶体质量(良率)和发光亮度的影响。从表3可以看出，当aln子层的厚度为50-150nm且n型掺杂algan子层厚度为50-150nm时，aln子层温度取800-1000℃、algan子层al摩尔浓度≤0.2、以及algan子层si浓度取1.5e18cm^-3～3e18cm^-3，这时，led芯片的亮度最大，达到197.1mw，而led芯片良率达到94.7％。

表3

步骤208、在缺陷阻挡层上沉积多量子阱层。

其中，多量子阱层为5到15个周期的inaga1-an(0<a<0.5)量子阱和gan量子垒交替生长的超晶格结构。量子阱的厚度在3nm左右，生长温度的范围在720℃-829℃间，压力范围在100torr与500torr之间：量子垒的厚度在9nm至20nm间，生长温度在850℃-959℃，生长压力在100torr到500torr之间。

步骤209、在多量子阱层上生长电子阻挡层。

示例性地，电子阻挡层为p型albga1-bn(0.1<b<0.5)电子阻挡层，生长温度在850℃与1080℃之间，生长压力为200torr与500torr之间，生长厚度在50nm至150nm之间。

步骤210、在电子阻挡层上沉积p型gan层。

示例性地，p型gan层的生长温度为850℃～1080℃，生长压力为100torr～300torr，p型gan层的厚度可以为100nm～800nm。

步骤211、在p型gan层上沉积p型接触层。

示例性地，p型接触层为gan或者ingan层，其厚度为5nm至300nm之间，生长温度区间为850℃～1050℃，生长压力区间为100torr～300torr。

示例性地，p型接触层生长结束后，将mocvd设备的反应腔内温度降低，在氮气气氛中退火处理，退火温度区间为650℃～850℃，退火处理5到15分钟，降至室温，完成外延生长。

本发明实施例通过缺陷阻挡层包括aln子层和n型掺杂algan子层，aln子层位于n型掺杂gan层与n型algan子层之间，相比于传统的n型掺杂algan缺陷阻挡层，增加了一层aln，由于aln可增加algan子层表面al原子的迁移率，使algan子层中al的掺杂更加均匀，使得该层的长晶质量变好，因此，可以减小缺陷阻挡层的缺陷密度，堵住底层漏电通道，这将有效提高缺陷阻挡层的晶体质量以及阱区氮化镓的长晶质量，继而提升发光二极管的抗静电能力及量子阱区载流子复合效率，提升器件发光效率。

图3示出了本发明实施例提供的一种gan基发光二极管外延片。示例性地，该外延片可以由图1或图2示出的方法制备得到。参见图3，该发光二极管外延片包括：衬底1、以及在衬底1上顺次沉积的gan缓冲层2、未掺杂gan层3、n型掺杂gan层4、缺陷阻挡层5、多量子阱层6、电子阻挡层7、p型gan层8和p型接触层9。其中，缺陷阻挡层5包括aln子层51和n型掺杂algan子层52。aln子层51位于n型掺杂gan层4与n型algan子层52之间。

通过缺陷阻挡层包括aln子层和n型掺杂algan子层，aln子层位于n型掺杂gan层与n型algan子层之间，相比于传统的n型掺杂algan缺陷阻挡层，增加了一层aln，由于aln可增加algan子层表面al原子的迁移率，使algan子层中al的掺杂更加均匀，使得该层的长晶质量变好，因此，可以减小缺陷阻挡层的缺陷密度，堵住底层漏电通道，这将有效提高缺陷阻挡层的晶体质量以及阱区氮化镓的长晶质量，继而提升发光二极管的抗静电能力及量子阱区载流子复合效率，提升器件发光效率。

示例性地，衬底1为蓝宝石衬底。

示例性地，gan缓冲层2为低温gan缓冲层，其厚度为15～35nm。

示例性地，未掺杂gan层3的厚度为1～5μm。

示例性地，n型掺杂gan层4的厚度可以是1～5μm，n型掺杂gan层4中掺杂si，si掺杂浓度在10¹⁸cm^-3-10¹⁹cm^-3之间。

示例性地，缺陷阻挡层5中，aln子层51的厚度为50～150nm，n型掺杂algan子层52的厚度为50～100nm。也即，缺陷阻挡层5的厚度为100～250nm。

示例性地，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度小于或等于0.2。

示例性地，n型掺杂algan子层52的n型掺杂为si掺杂，si掺杂浓度为1.5*10¹⁸cm^-3～3*10¹⁸cm^-3。

示例性地，多量子阱层6可以是5至15个周期的inaga1-an(0<a<0.5)量子阱和gan量子垒交替生长的超晶格结构，inaga1-an量子阱的厚度为3nm左右，gan量子垒的厚度为9～20nm；电子阻挡层7是albga1-bn(0.1<b<0.5)电子阻挡层，其厚度为50～150nm；p型gan层8的厚度可以为100～800nm；p型接触层9可以是gan或者ingan层，其厚度可以是5～300nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为15nm，未掺杂gan层3的厚度为1μm，n型掺杂gan层4的厚度为1μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，aln子层51的厚度为50nm，n型掺杂algan子层52的厚度为50nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.2，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为1.5*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为10nm，电子阻挡层7的厚度为50nm，p型gan层8的厚度为100nm，p型接触层9的厚度为100nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为20nm，未掺杂gan层3的厚度为1μm，n型掺杂gan层4的厚度为2μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，aln子层51的厚度为60nm，n型掺杂algan子层52的厚度为50nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.2，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为1.5*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为11nm，电子阻挡层7的厚度为60nm，p型gan层8的厚度为150nm，p型接触层9的厚度为100nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为25nm，未掺杂gan层3的厚度为2μm，n型掺杂gan层4的厚度为3μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为0.5*10¹⁹cm^-3，aln子层51的厚度为70nm，n型掺杂algan子层52的厚度为60nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.2，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为1.5*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为10nm，电子阻挡层7的厚度为70nm，p型gan层8的厚度为200nm，p型接触层9的厚度为150nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为30nm，未掺杂gan层3的厚度为2μm，n型掺杂gan层4的厚度为4μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为0.5*10¹⁹cm^-3，aln子层51的厚度为80nm，n型掺杂algan子层52的厚度为60nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.2，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为12nm，电子阻挡层7的厚度为80nm，p型gan层8的厚度为300nm，p型接触层9的厚度为150nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为35nm，未掺杂gan层3的厚度为3μm，n型掺杂gan层4的厚度为5μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为0.5*10¹⁹cm^-3，aln子层51的厚度为90nm，n型掺杂algan子层52的厚度为70nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.2，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为13nm，电子阻挡层7的厚度为90nm，p型gan层8的厚度为400nm，p型接触层9的厚度为150nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为15nm，未掺杂gan层3的厚度为3μm，n型掺杂gan层4的厚度为1μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为0.5*10¹⁹cm^-3，aln子层51的厚度为100nm，n型掺杂algan子层52的厚度为70nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.1，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为14nm，电子阻挡层7的厚度为100nm，p型gan层8的厚度为500nm，p型接触层9的厚度为200nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为20nm，未掺杂gan层3的厚度为4μm，n型掺杂gan层4的厚度为2μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为10¹⁹cm^-3，aln子层51的厚度为110nm，n型掺杂algan子层52的厚度为80nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.1，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为1.5*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为15nm，电子阻挡层7的厚度为110nm，p型gan层8的厚度为600nm，p型接触层9的厚度为200nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为25nm，未掺杂gan层3的厚度为4μm，n型掺杂gan层4的厚度为3μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为10¹⁹cm^-3，aln子层51的厚度为120nm，n型掺杂algan子层52的厚度为90nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.1，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为2*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为16nm，电子阻挡层7的厚度为120nm，p型gan层8的厚度为700nm，p型接触层9的厚度为250nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为30nm，未掺杂gan层3的厚度为5μm，n型掺杂gan层4的厚度为4μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为10¹⁹cm^-3，aln子层51的厚度为130nm，n型掺杂algan子层52的厚度为90nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.1，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为3*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为17nm，电子阻挡层7的厚度为130nm，p型gan层8的厚度为800nm，p型接触层9的厚度为300nm。

示例性地，该发光二极管外延片中，gan缓冲层2的厚度为35nm，未掺杂gan层3的厚度为5μm，n型掺杂gan层4的厚度为5μm，n型掺杂gan层4中si掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，aln子层51的厚度为140nm，n型掺杂algan子层52的厚度为100nm，n型掺杂algan子层52中al的摩尔浓度为0.1，n型掺杂algan子层52中si掺杂浓度为3*10¹⁸cm^-3，inaga1-an量子阱的厚度为3nm、gan量子垒的厚度为18nm，电子阻挡层7的厚度为140nm，p型gan层8的厚度为100nm，p型接触层9的厚度为300nm。

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。