GaN基发光二极管外延片的制备方法与流程

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的制备方法。

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、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。

其中，传统的p型gan层一般是采用mocvd(metal-organicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法生长，在mocvd方法中，采用n2和h2混合气体作为载气，nh3作为氮源，三甲基镓或三乙基镓作为镓源。这样生长的p型gan层空穴浓度较低。

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的制备方法，能够有效提高p型gan层的空穴浓度。所述技术方案如下：

本发明提供了一种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缓冲层、未掺杂gan层、n型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p型gan层包括第一gan子层和第二gan子层，所述第一gan子层位于所述电子阻挡层与所述第二gan子层之间，在沉积所述第一gan子层时，采用n2和h2的混合气体作为载气，在沉积所述第二gan子层时，采用n2作为载气。

可选地，所述混合气体中，n2和h2的流量比为1：10～1：2。

可选地，所述混合气体中，n2的流量大于或等于20l/min，h2的流量小于或等于100l/min。

可选地，在沉积所述第二gan子层时，n2的流量为20～100l/min。

可选地，所述第一gan子层的生长温度为900～1000℃，所述第二gan子层的生长温度为930～1050℃。

可选地，所述第一gan子层和所述第二gan子层的生长压力均为100～300torr。

可选地，所述第一gan子层的厚度为10～50nm，所述第二gan子层的厚度为50～100nm。

可选地，所述第一gan子层和所述第二gan子层中均掺杂mg，所述第一gan子层中mg掺杂浓度为10¹⁸～10¹⁹cm^-3，所述第二gan子层中mg掺杂浓度高于所述第一gan子层中mg掺杂浓度。

可选地，所述电子阻挡层为alxga1-xn层，0.1<x<0.5。

可选地，所述电子阻挡层中掺杂mg、且mg掺杂浓度为2×10¹⁷～2×10¹⁸cm^-3。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过p型gan层包括第一gan子层和第二gan子层，在沉积所述第一gan子层时，采用n2和h2的混合气体作为载气，在沉积所述第二gan子层时，采用n2作为载气，并且，所述第一gan子层位于所述电子阻挡层与所述第二gan子层之间，这样，将p型gan层分为两段生长，后面一段即第二gan子层仅采用n2作为载气，相比于传统的p型gan层，减少了h2的通入，进而减少了mg-h复合物的形成，避免mg-h复合物所引起的深能级受体作为空穴陷阱引起的非辐射复合，提升空穴浓度。同时，后面一段仅采用n2作为载气，在纯n2高温环境下将得到一个比前面一段更光滑的平面层(即第二gan子层)，能够抑制mqw层延伸向上的v形缺陷，使得p型gan层的长晶质量更高，进一步提高空穴浓度。

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制备方法的流程图；

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。

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。

相关技术中，p型gan层采用n2和h2混合气体作为载气，由于p型gan层中需要高掺mg以产生足够的空穴，但是mg在gan中溶解度很低，容易与h形成mg-h复合物，这些复合物引起的深能级受体作为空穴陷阱将引起的非辐射复合，减少空穴浓度。此外，h原子质量小，带入的mo(metalorganicsource，金属有机源)少；n原子质量大，带入的mo多。mo为高纯金属有机化合物材料，是金属有机化学气相外延和沉积的原材料。当带入的mo少时，p型gan层厚度不高，而当p型gan层过薄时led芯片的电压会高。

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、在衬底上顺次沉积缓冲层、未掺杂gan层、n型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，p型gan层包括第一gan子层和第二gan子层。第一gan子层位于电子阻挡层与第二gan子层之间。在沉积第一gan子层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。在沉积第二gan子层时，采用n2作为载气。

本发明实施例通过p型gan层包括第一gan子层和第二gan子层，在沉积第一gan子层时，采用n2和h2的混合气体作为载气，在沉积第二gan子层时，采用n2作为载气，并且，第一gan子层位于电子阻挡层与第二gan子层之间，这样，将p型gan层分为两段生长，后面一段即第二gan子层仅采用n2作为载气，相比于传统的p型gan层，减少了h2的通入，进而减少了mg-h复合物的形成，避免mg-h复合物所引起的深能级受体作为空穴陷阱引起的非辐射复合，提升空穴浓度。同时，后面一段仅采用n2作为载气，在纯n2高温环境下将得到一个比前面一段更光滑的平面层(即第二gan子层)，能够抑制mqw层延伸向上的v形缺陷，使得p型gan层的长晶质量更高，进一步提高空穴浓度。

此外，前面一段即第一gan子层采用n2和h2的混合气体作为载气，将综合n2和h2所带入的mo的数量，平衡p型gan层的厚度，避免p型gan层过厚影响亮度。

当前面一段采用n2和h2的混合气体作为载气与后面一段仅采用n2作为载气结合实现时，前面一段的平均分子密度相对较低，利于分子运动，有利于空穴尽快扩散至mqw层；后面一段的晶体质量较好，空穴浓度高于前面一段，但平均分子密度较高，空穴扩散速度低于前面一段中空穴的扩散速度，这时，由于存在平均分子密度低-高差异，空穴容易从平均分子密度相对较高的区域扩散到平均分子密度相对较低的区域，因此，后面一段的大量空穴可以先顺利的扩散到前面一段再注入mqw区，将有利于空穴在p型层扩散，注入mqw区。

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。

步骤203、在衬底上沉积缓冲层。

其中，缓冲层可以是gan层，也可以是aln层。下面以gan层为例，介绍一下缓冲层的生长方式，该生长方式包括：在对衬底进行处理后，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。

示例性地，在生长gan缓冲层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。n2的流量可以是20～100l/min(升每分钟)，h2的流量可以是20～100l/min。作为氮源的nh3的流量可以是20～100l/min。

步骤204、对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。

示例性地，退火处理的气氛为n2、h2和nh3的混合气体，n2、h2和nh3的流量均可以是20～100l/min。

步骤205、在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。

示例性地，在生长未掺杂gan层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。n2的流量和h2的流量均可以是20～100l/min。作为氮源的nh3的流量可以是20～100l/min。

步骤206、在未掺杂gan层上沉积n型gan层。

示例性地，n型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。n型gan层中掺杂si，si掺杂浓度在10¹⁸cm^-3～10¹⁹cm^-3之间。

示例性地，在生长n型gan层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。n2的流量和h2的流量均可以是20～100l/min。作为氮源的nh3的流量可以是20～100l/min。

步骤207、在n型gan层上沉积缺陷阻挡层。

其中，缺陷阻挡层用于阻挡由底层晶格适配应力作用引起的向上延伸的缺陷。缺陷阻挡层可以是n型掺杂algan子层，al摩尔掺入量可以是0～0.3。缺陷阻挡层的厚度可以是50～180nm，生长温度可以是800℃～1100℃，生长压力可以是300torr～500torr。

示例性地，在生长缺陷阻挡层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。n2的流量和h2的流量均可以是20～100l/min。作为氮源的nh3的流量可以是20～100l/min。

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。

示例性地，在生长多量子阱层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。n2的流量可以是20～100l/min，h2的流量可以是0～10l/min。作为氮源的nh3的流量可以是20～100l/min。

步骤209、在多量子阱层上沉积电子阻挡层。

示例性地，电子阻挡层为alxga1-xn(0.1<x<0.5)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。

示例性地，在生长电子阻挡层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。n2的流量和h2的流量均可以是20～100l/min。作为氮源的nh3的流量可以是20～100l/min。

电子阻挡层在一定程度上起到阻挡电子溢流的作用，除此之外，在本实施例中，电子阻挡层还能够产生空穴，增加空穴数量。示例性地，电子阻挡层中掺杂mg、且mg掺杂浓度为2×10¹⁷～2×10¹⁸cm^-3。通过在电子阻挡层中掺杂mg，能够产生一定数量的空穴，可以增加空穴注入mqw区效率。

步骤210、在电子阻挡层上沉积p型gan层。

其中，p型gan层包括第一gan子层和第二gan子层，第一gan子层位于电子阻挡层与第二gan子层之间。示例性地，步骤210可以包括步骤a和步骤b。

步骤a、在电子阻挡层上沉积第一gan子层。

其中，在沉积第一gan子层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。混合气体中，n2和h2的流量比为1：10～1：2。优选地，n2和h2的流量比为1：10。通过n2的流量远远小于h2的流量，能够在大量h2的气氛下生长第一gan子层，由于h2的导热比n2快，因此可以将第一gan子层的温度调节得比传统的p型gan层低一些，这对靠近第一gan子层的mqw层起到保护作用。

示例性地，混合气体中，n2的流量大于或等于20l/min，h2的流量小于或等于100l/min。优选地，混合气体中，n2的流量为20l/min，h2的流量为100l/min。

示例性地，第一gan子层的生长温度为900～1000℃，第一gan子层和第二gan子层的生长压力均为100～300torr。

示例性地，第一gan子层的厚度为10～50nm。

示例性地，第一gan子层掺杂mg且mg掺杂浓度为10¹⁸～10¹⁹cm^-3。

步骤b、在第一gan子层上沉积第二gan子层。

其中，在沉积第二gan子层时，采用n2作为载气。示例性地，n2的流量为20～100l/min。优选地，n2的流量为60l/min。

示例性地，第二gan子层的生长温度为930～1050℃。第一gan子层和第二gan子层的生长压力均为100～300torr。

示例性地，第二gan子层的厚度为50～100nm。第二gan子层比第一gan子层厚一些，是考虑到第二gan子层的晶体质量较好，能够提供较多数量的空穴，并易于扩散至第一gan子层。

示例性地，第二gan子层中掺杂mg且mg掺杂浓度高于第一gan子层中mg掺杂浓度，比如，第二gan子层中mg掺杂浓度为10²⁰～10²¹cm^-3。通过第二gan子层中mg掺杂浓度高于第一gan子层中mg掺杂浓度，是考虑到第二gan子层的生长条件易于mg的并入，晶体质量较好，能够提供较多数量的空穴，并易于扩散至第一gan子层。

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，在生长p型接触层时，采用n2和h2的混合气体作为载气。n2的流量和h2的流量均可以是20～100l/min。作为氮源的nh3的流量可以是20～100l/min。

步骤212、对p型接触层进行退火处理。

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，退火温度为700℃～800℃，退火处理5到15分钟，降至室温，完成外延生长。

通过退火温度为700℃～800℃，高于传统的退火温度，能够将第一gan子层中形成的mgh复合物的mgh键打开，提高mg掺杂，减少mgh钝化。

本发明实施例通过p型gan层包括第一gan子层和第二gan子层，在沉积第一gan子层时，采用n2和h2的混合气体作为载气，在沉积第二gan子层时，采用n2作为载气，并且，第一gan子层位于电子阻挡层与第二gan子层之间，这样，将p型gan层分为两段生长，后面一段即第二gan子层仅采用n2作为载气，相比于传统的p型gan层，减少了h2的通入，进而减少了mg-h复合物的形成，避免mg-h复合物所引起的深能级受体作为空穴陷阱引起的非辐射复合，提升空穴浓度。同时，后面一段仅采用n2作为载气，在纯n2高温环境下将得到一个比前面一段更光滑的平面层(即第二gan子层)，能够抑制mqw层延伸向上的v形缺陷，使得p型gan层的长晶质量更高，进一步提高空穴浓度。

此外，前面一段即第一gan子层采用n2和h2的混合气体作为载气，将综合n2和h2所带入的mo的数量，平衡p型gan层的厚度，避免p型gan层过厚影响亮度。

当前面一段采用n2和h2的混合气体作为载气与后面一段仅采用n2作为载气结合实现时，前面一段的平均分子密度相对较低，利于分子运动，有利于空穴尽快扩散至mqw层；后面一段的晶体质量较好，空穴浓度高于前面一段，但平均分子密度较高，空穴扩散速度低于前面一段中空穴的扩散速度，这时，由于存在平均分子密度低-高差异，空穴容易从平均分子密度相对较高的区域扩散到平均分子密度相对较低的区域，因此，后面一段的大量空穴可以先顺利的扩散到前面一段再注入mqw区，将有利于空穴在p型层扩散，注入mqw区。

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。