发光二极管外延片及其制备方法与流程

本公开涉及到了发光二极管技术领域，特别涉及到一种发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术：

发光二极管(英文：lightemittingdiode，简称：led)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。led具有高效节能、绿色环保的优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。发光二极管外延片则是用于制备发光二极管的基础结构。发光二极管外延片通常包括衬底及衬底上生长的外延层，外延层至少包括依次层叠在衬底上的缓冲层、n型gan层、发光层及p型gan层。发光层通常包括交替层叠的ingan阱层和gan垒层，在电流作用下，n型gan层中的电子与p型gan层中的空穴均会迁移进入ingan阱层进行复合发光。

由于ingan阱层与gan垒层之间存在较大的晶格失配，ingan阱层与gan垒层之间的晶格失配会导致ingan阱层与gan垒层之间产生相应的应力，应力导致ingan阱层的晶胞与gan垒层的晶胞产生相应的应变，ingan阱层的晶胞与gan垒层的晶胞本身不重合的正电中心与负电中心的距离进一步增加，产生压电极化效应。压电极化效应造成ingan阱层与gan垒层的能带发生倾斜，电子和空穴的复合的波函数交叠量减少，发光二极管的发光效率下降，发光二极管的发光峰出现较为严重的红移情况。发光二极管在使用时，随着电流密度的增加，ingan阱层与gan垒层的能带的倾斜程度产生变化，发光二极管的发光峰在发光时则会存在蓝移的情况，导致发光二极管在使用时出现显色不纯的问题。

技术实现要素：

本公开实施例提供了一种发光二极管外延片及其制备方法，可以降低ingan阱层与gan垒层的能带倾斜情况，降低发光二极管在使用时发光峰出现蓝移的情况。所述技术方案如下：

所述发光二极管外延片包括衬底及层叠在所述衬底上的外延层，所述外延层包括依次层叠在所述衬底上的缓冲层、n型gan层、发光层及p型gan层，

所述发光层包括依次层叠在所述n型gan层上的第一复合层与第二复合层，所述第一复合层包括多个交替层叠的第一ingan阱层和第一gan垒层，所述第二复合层包括多个交替层叠的第二ingan阱层和第二gan垒层，所述第二ingan阱层的厚度小于所述第一ingan阱层的厚度，所述第二gan垒层的厚度小于所述第一gan垒层的厚度。

可选地，所述第二ingan阱层的厚度与所述第一ingan阱层的厚度的比值为0.1～0.3，所述第二gan垒层的厚度与所述第一gan垒层的厚度的比值为0.1～0.3。

可选地，在所述第二复合层的生长方向上，多个所述第二gan垒层的厚度逐渐减小。

可选地，所述第二ingan阱层的厚度与所述第二gan垒层的厚度的比值为0.1～0.3。

可选地，所述第二ingan阱层的厚度为10～30nm，所述第二gan垒层的厚度为20～60nm。

本公开实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述发光二极管外延片的制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长缓冲层，

在所述缓冲层上生长n型gan层；

在所述n型gan层上生长发光层，

所述发光层包括依次层叠在所述n型gan层上的第一复合层与第二复合层，所述第一复合层包括多个交替层叠的第一ingan阱层和第一gan垒层，所述第二复合层包括多个交替层叠的第二ingan阱层和第二gan垒层，所述第二ingan阱层的厚度小于所述第一ingan阱层的厚度，所述第二gan垒层的厚度小于所述第一gan垒层的厚度；

在所述发光层上生长p型gan层。

可选地，生长所述第二ingan阱层时，反应腔内的气体环境为包括氮气与氨气的混合气体环境，生长所述第二gan垒层时，所述反应腔内的气体环境为包括氮气、氨气与氢气的混合气体环境。

可选地，生长所述第二ingan阱层时，所述反应腔内的气体环境中氮气与氨气的比值为0.8～1.3，生长所述第二gan垒层时，所述反应腔内的气体环境中氮气与氨气的比值为0.8～1.3，所述反应腔内的气体环境中氨气与氢气的比值为2～5。

可选地，所述第二ingan阱层的生长温度为750～850℃，所述第二gan垒层的生长温度为850～950℃。

可选地，生长所述第二ingan阱层时，分别向反应腔内通入2000～4000sccm的in源、100～500sccm的ga源与150000～300000sccm的n源，生长所述第二gan垒层时，分别向反应腔内通入1000～3000sccm的ga源与150000～300000sccm的n源，且所述第二ingan阱层的生长时间为120～420s，所述第二gan垒层的生长时间为120～420s。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：

在生长发光二极管外延片中的发光层时，将发光层设置为包括依次层叠在n型gan层上的第一复合层与第二复合层。第一复合层包括多个交替层叠的第一ingan阱层和第一gan垒层，第二复合层包括多个交替层叠的第二ingan阱层和第二gan垒层。第二ingan阱层的厚度小于第一ingan阱层的厚度，第二gan垒层的厚度小于第一gan垒层的厚度。生长状态相对第一复合层发生变化，且阱垒厚度均小于第一复合层中阱垒厚度的第二复合层本身作为电子与空穴进行复合发光的基础的同时，还可起到对第一复合层生长过程中积累的应力进行释放的作用，第一复合层中的应力在第二复合层生长时可以部分转移至第二复合层中进行释放，减小发光层整体会积累的应力，减小由应力最终导致的压电极化效应。也由此减低压电极化效应带来的ingan阱层与gan垒层的能带发生倾斜的程度，提高发光二极管的发光效率。随电流密度的增加，ingan阱层与gan垒层的能带的倾斜程度会发生的变化较小，发光二极管的发光峰在发光时产生的蓝移情况较弱，减小发光二极管在使用时出现显色不纯的可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；

图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图；

图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片及其制备方法流程图；

图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片及其制备方法流程图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

图1是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，如图1所示，该发光二极管外延片包括衬底1及层叠在所述衬底1上的外延层2，外延层2包括依次层叠在衬底1上的缓冲层21、n型gan层22、发光层23及p型gan层24。

发光层23包括依次层叠在n型gan层22上的第一复合层231与第二复合层232，第一复合层231包括多个交替层叠的第一ingan阱层2311和第一gan垒层2312，第二复合层232包括多个交替层叠的第二ingan阱层2321和第二gan垒层2322，第二ingan阱层2321的厚度小于第一ingan阱层2311的厚度，第二gan垒层2322的厚度小于第一gan垒层2312的厚度。

在生长发光二极管外延片中的发光层23时，将发光层23设置为包括依次层叠在n型gan层22上的第一复合层231与第二复合层232。第一复合层231包括多个交替层叠的第一ingan阱层2311和第一gan垒层2312，第二复合层232包括多个交替层叠的第二ingan阱层2321和第二gan垒层2322。第二ingan阱层2321的厚度小于第一ingan阱层2311的厚度，第二gan垒层2322的厚度小于第一gan垒层2312的厚度。生长状态相对第一复合层231发生变化，且阱垒厚度均小于第一复合层231中阱垒厚度的第二复合层232本身作为电子与空穴进行复合发光的基础的同时，还可起到对第一复合层231生长过程中积累的应力进行释放的作用，第一复合层231中的应力在第二复合层232生长时可以部分转移至第二复合层232中进行释放，减小发光层23整体会积累的应力，减小由应力最终导致的压电极化效应。也由此减低压电极化效应带来的ingan阱层与gan垒层的能带发生倾斜的程度，提高发光二极管的发光效率。随电流密度的增加，ingan阱层与gan垒层的能带的倾斜程度会发生的变化较小，发光二极管的发光峰在发光时产生的蓝移情况较弱，减小发光二极管在使用时出现显色不纯的可能性。

示例性地，第一复合层231中，第一ingan阱层2311的生长厚度可为2～3nm，第一gan垒层2312的生长厚度可为9～20nm。

可选地，第二ingan阱层2321的厚度与第一ingan阱层2311的厚度的比值可为0.1～0.3，第二gan垒层2322的厚度与第一gan垒层2312的厚度的比值可为0.1～0.3。此时第二复合层232能较为有效地释放第一复合层231内的应力，得到的发光层23的质量较好。

示例性地，第二ingan阱层2321的厚度与第二gan垒层2322的厚度的比值可为0.1～0.3。

第二ingan阱层2321的厚度与第二gan垒层2322的厚度的比值在以上范围内时，第二复合发光层23可以有效捕获电子与空穴进行复合发光，不会影响发光层23整体的发光效率。

可选地，第二ingan阱层2321的厚度可为10～30nm，第二gan垒层2322的厚度可为20～60nm。

第二ingan阱层2321的厚度与第二gan垒层2322的厚度设置在以上范围内时，第二复合层232释放应力的效果较好，且第二复合层232整体也能够保持一定的发光效率，不会过多影响发光层23整体的发光效率。

示例性地，在第二复合层232的生长方向上，多个第二gan垒层2322的厚度可逐渐减小。

多个第二gan垒层2322的厚度可逐渐减小，在第二复合层232起到应力释放的作用的同时，可以减小第二复合层232在发光层23中总体占比，使得空穴与电子主要集中在第一复合层231中进行复合发光，提高发光层23整体的发光效率。

可选地，在第二复合层232的生长方向上，多个第二gan垒层2322的厚度逐渐减小的同时，多个第二ingan阱层2321的厚度可保持不变。得到的第二复合层232可以有效发光的同时减小第二复合层232的体积占比。

在本公开提供的一种实现方式中，第一ingan阱层2311的生长厚度可为2.5nm，第一gan垒层2312的生长厚度可为15nm，第二ingan阱层2321的厚度可为2m，第二gan垒层2322的厚度可为10nm。得到的发光层23的整体的发光效率较高。

图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图，参考图2可知，在本公开提供的另一种实现方式中，发光二极管外延片可包括衬底11及生长在衬底1上的外延层2，外延层2包括依次层叠在衬底1上的缓冲层21、非掺杂gan层25、n型gan层22、应力释放层26、发光层23、电子阻挡层27、p型gan层24及p型接触层28。

需要说明的是，图2中所示的发光层23的结构与图1中所示的发光层23的结构相同，此处不再赘述。

可选地，衬底11可为蓝宝石衬底1。易于制作与获取。

示例性地，缓冲层21可为低温gan缓冲层21。能够保证在低温缓冲层21上生长的外延薄膜的晶体质量。

可选地，缓冲层21的厚度可为10～30nm。能够减小n型gan层22与衬底1之间的晶格失配，保证外延层2的生长质量。

示例性地，非掺杂gan层25的厚度可为1～3.5μm。此时得到的发光二极管外延片的质量较好。

在本公开提供的一种实现方式中，非掺杂gan层25的厚度还可为1μm。本公开对此不做限制。

可选地，n型gan层22的掺杂元素可为si，且si元素的掺杂浓度可为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。n型gan层22整体的质量较好。

示例性地，n型gan层22的厚度可为2～3μm。得到的n型gan层22整体的质量较好。

在本公开提供的一种实现方式中，n型gan层22的厚度可为2μm。本公开对此不做限制。

可选地，应力释放层26可包括多个交替层叠的ingan层261与gan层262。ingan层261的厚度可为2nm，gan层262的厚度可为30nm。

应力释放层26可以在发光层23生长之前，先释放n型gan层22生长积累的应力，保证发光层23在生长时不会有很多n型gan层22生长时积累的应力进入发光层23内，保证发光层23的发光质量。ingan层261的厚度可为2nm，gan层262的厚度可为30nm，也能够有效释放应力。

可选地，电子阻挡层27可为掺mg的alyga1-yn层，其中y的范围在0.15～0.25内。阻挡电子的效果较好。

示例性地，电子阻挡层27的厚度可为30～50nm。外延层22整体的质量较好。

可选地，p型gan层24可掺mg，p型gan层24的厚度可为50～80nm。得到的p型gan层24整体的质量较好。

示例性地，p型接触层28的厚度可为15nm。

需要说明的是，图2中所示的外延片结构相对图1中所示的外延片结构，在缓冲层21与n型gan层22之间增加了缓解晶格失配的非掺杂gan层25，并在n型gan层22与发光层23之间增加了释放应力的应力释放层26，在发光层23与p型gan层24之间增加了阻挡电子从发光层23中溢流进p型gan层24中的电子阻挡层27。p型gan层24上还生长有p型接触层28。得到的外延片的质量及发光效率会更好。

图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片及其制备方法流程图，如图3所示，该发光二极管外延片制备方法包括：

s101：提供一衬底。

s102：在衬底上生长缓冲层，

s103：在缓冲层上生长n型gan层。

s104：在n型gan层上生长发光层。

发光层包括依次层叠在n型gan层上的第一复合层与第二复合层，第一复合层包括多个交替层叠的第一ingan阱层和第一gan垒层，第二复合层包括多个交替层叠的第二ingan阱层和第二gan垒层，第二ingan阱层的厚度小于第一ingan阱层的厚度，第二gan垒层的厚度小于第一gan垒层的厚度。

s105：在发光层上生长p型gan层。

图3所示的方法的技术效果，可参照图1中发光二极管外延片的技术效果，因此此处不再对图3中所示方法的技术效果进行赘述。依照图3中方法生长得到的发光二极管外延片的结构也可参照图1中所示的发光二极管外延片的结构。

图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片及其制备方法流程图，如图4所示，该发光二极管外延片制备方法包括：

s201：提供一衬底。

其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。

可选地，步骤s201还可包括：在氢气气氛下，处理衬底用于生长外延层的表面5～6min。

示例性地，处理衬底用于生长外延层的表面时，反应腔的温度可为1000～1100℃，反应腔的压力可为200～500torr。

在本公开提供的一种实现方式中，处理衬底用于生长外延层的表面时，反应腔的温度可为1050℃。处理衬底的效果较好。

s202：在衬底上生长缓冲层。

可选地，缓冲层可为gan缓冲层。

缓冲层的厚度可为25nm。

示例性地，非掺杂gan层的生长温度可为540℃，生长压力可控制在200～600torr。得到的非掺杂gan层的质量较好。

s203：在缓冲层上生长非掺杂gan层。

示例性地，非掺杂gan层的生长温度可为1000-1100℃，生长压力控制在200～600torr。得到的非掺杂gan层的质量较好。

在本公开提供的一种实现方式中，非掺杂gan层的生长温度可为1040℃。

s204：在非掺杂gan层上生长n型gan层。

可选地，n型gan层的生长温度可为1000～1100℃，n型gan层的生长压力可为200～600torr。

可选地，n型gan层的厚度可为2～3um。

s205：在n型gan层上生长应力释放层。

可选地，应力释放层可包括多个交替层叠的ingan层与gan层。

ingan层的生长温度可为760～780℃，gan垒层的生长温度可为860～890℃。

ingan层与gan层的生长压力均可为300torr。

s206：在应力释放层上生长发光层。

发光层包括依次层叠在n型gan层上的第一复合层与第二复合层，第一复合层包括多个交替层叠的第一ingan阱层和第一gan垒层，第二复合层包括多个交替层叠的第二ingan阱层和第二gan垒层，第二ingan阱层的厚度小于第一ingan阱层的厚度，第二gan垒层的厚度小于第一gan垒层的厚度。

可选地，第一ingan阱层的生长温度可为760～780℃，第一gan垒层的生长温度可为860～890℃。在此条件下生长得到的发光层的质量较好，能够保证发光二极管的发光效率。

可选地，第二ingan阱层的生长温度为750～850℃，第二gan垒层的生长温度为850～950℃。

第二ingan阱层的生长温度为750～850℃，第二gan垒层的生长温度为850～950℃时，得到的第二复合层在本身质量较好的同时，也可以使得第二复合层能够有效释放第一复合层积累的应力。

示例性地，生长第二ingan阱层时，反应腔内的气体环境可为包括氮气与氨气的混合气体环境，生长第二gan垒层时，反应腔内的气体环境可为包括氮气、氨气与氢气的混合气体环境。

生长第二ingan阱层时，气体环境不含氢气，生长第二gan垒层时，反应腔内的气体环境包含氢气，氢气可以阻止in原子渗入第二gan垒层，保证第二gan垒层的晶体质量，并且氢气的传热效率较好，可以使得第二gan垒层的生长温度提高较快且较为均匀，提高第二gan垒层的生长质量。

可选地，生长第二ingan阱层时，反应腔内的气体环境中氮气与氨气的比值为0.8～1.3，生长第二gan垒层时，反应腔内的气体环境中氮气与氨气的比值为0.8～1.3，反应腔内的气体环境中氨气与氢气的比值为2～5。

示例性地，生长第二ingan阱层时，分别向反应腔内通入2000～4000sccm的in源、100～500sccm的ga源与150000～300000sccm的n源，生长第二gan垒层时，分别向反应腔内通入1000～3000sccm的ga源与150000～300000sccm的n源，且第二ingan阱层的生长时间为120～420s，第二gan垒层的生长时间为120～420s。

第二ingan阱层与第二gan垒层在上述流量及时间的生长情况下，可以使得第二复合层的生长质量较好，且在第二复合层的生长过程中，有足够的时间充分释放第一复合层积累的应力。

在本公共提供的一种实现方式中，第一ingan阱层与第一gan垒层的层数均可为7，第二ingan阱层的层数与第二gan垒层的层数均可为3。能够得到质量较好的发光层。

s207：在发光层上生长电子阻挡层。

可选地，电子阻挡层可为掺mg的alyga1-yn层，其中y的范围在0.15～0.25内。阻挡电子的效果较好。

电子阻挡层的生长厚度可为80nm。

电子阻挡层的生长温度可为930～970℃，电子阻挡层的生长压力可为100torr。在此条件下生长得到的电子阻挡层的质量较好，有利于提高发光二极管的发光效率。

s208：在电子阻挡层上生长p型gan层。

可选地，p型gan层的生长压力可为200～600torr，p型gan层的生长温度可为940～980℃。

可选地，p型gan层的厚度可为0.2um。

s209：在p型gan层上生长p型接触层。

需要说明的是，图4中所示的发光二极管外延片及其制备方法，相对图3中所示的发光二极管的制备方法，进一步对发光层的生长过程进行了说明，并提供了一种更为详细的发光二极管外延片的生长方式。

执行完步骤s209后的发光二极管外延片的结构可参见图2。

需要说明的是，在本公开实施例中，采用veecok465iorc4orrbmocvd(metalorganicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现led的生长方法。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，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，三甲基铝(tmal)作为铝源，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。