发光二极管外延片及其制造方法与流程

本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。

背景技术：

发光二极管(英文：lightemittingdiode，简称：led)是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色的新型固态照明光源，led是前景广阔的新一代光源，正在被迅速广泛地应用在如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、户内外显示屏和小间距显示屏等领域。

通常，gan基led在蓝宝石衬底上进行外延生长。传统的gan基led外延结构一般采用ingan/gan超晶格结构作为有源层。但是ingan层和gan层之间存在着很大的晶格失配，导致ingan层和gan层之间存在较大的压应力。压应力会产生压电极化电场，使得电子和空穴波函数的交叠减少，造成内量子效率的下降，从而影响led发光效率。

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造方法，可以增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，提高led的内量子效率。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的低温缓冲层、高温缓冲层、n型层和有源层，其特征在于，

所述发光二极管外延片还包括依次层叠在所述有源层上的多个周期交替生长的电子阻挡层和p型层，每个所述电子阻挡层均为algan层，沿所述外延片的层叠方向，每个周期的所述电子阻挡层中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小，每个周期的所述p型层中的mg的掺杂浓度逐渐升高。

可选地，多个所述电子阻挡层中的al组分的变化范围为0.1～0.4。

可选地，多个所述电子阻挡层中的al组分的降低幅度为0.05～0.25。

可选地，多个所述电子阻挡层的厚度的变化范围为1～20nm。

可选地，多个所述电子阻挡层的厚度的降低幅度为5～15nm。

可选地，多个所述p型层中的mg的掺杂浓度的变化范围为5*10¹⁷cm^-3～6*10²⁰cm^-3。

可选地，多个所述p型层的厚度逐渐减小。

另一方面，提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、n型层和有源层；

在所述有源层上生长多个周期交替生长的电子阻挡层和p型层，每个所述电子阻挡层均为algan层，沿所述外延片的层叠方向，每个周期的所述电子阻挡层中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小，每个周期的所述p型层中的mg的掺杂浓度逐渐升高。

可选地，多个所述电子阻挡层的生长温度均为930～970℃，生长压力均为100～200torr。

可选地，多个所述p型层的生长温度均为940～980℃，生长压力均为200～600torr。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过设置多个周期交替生长的电子阻挡层和p型层，其中，沿外延片的层叠方向，每个周期的电子阻挡层中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小。也就是说，从有源层到p型层方向，靠近有源层的电子阻挡层中的al组分最高，厚度最厚，可以阻挡大部分从有源层泄露的电子，防止电子溢流。而后续多个周期的电子阻挡层所需阻挡的电子较少，因此，al组分和厚度可以设置为逐渐降低和逐渐减小，同样也可以进一步对泄露的小部分电子进行阻挡，起到更好的防止电子溢流的效果。同时，还可以减少对p型层提供的空穴的阻挡，有利于提高空穴的注入。进一步地，每个周期的p型层中的mg的掺杂浓度逐渐升高，也就是说，从有源层到p型层方向，靠近有源层的p型层中的mg的掺杂浓度最高，从而有利于提供更多的空穴，与电子在有源层进行辐射复合发光。且设置多个p型层可提供最大化的空穴数量和空穴浓度，以形成较大的空穴势能流，从而可以大大增加空穴的注入。因此，采用上述外延结构可以有效增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，进而提高二极管的内量子效率。

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一种发光二极管外延片的部分结构示意图；

图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图；

图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制造方法流程图。

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，发光二极管外延片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的低温缓冲层2、高温缓冲层3、n型层4和有源层5。

发光二极管外延片还包括依次层叠在有源层5上的多个周期交替生长的电子阻挡层6和p型层7。每个电子阻挡层6均为algan层，沿外延片的层叠方向，每个周期的电子阻挡层6中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小，每个周期的p型层7中的mg的掺杂浓度逐渐升高。

本公开实施例通过设置多个周期交替生长的电子阻挡层和p型层，其中，沿外延片的层叠方向，每个周期的电子阻挡层中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小。也就是说，从有源层到p型层方向，靠近有源层的电子阻挡层中的al组分最高，厚度最厚，可以阻挡大部分从有源层泄露的电子，防止电子溢流。而后续多个周期的电子阻挡层所需阻挡的电子较少，因此，al组分和厚度可以设置为逐渐降低和逐渐减小，同样也可以进一步对泄露的小部分电子进行阻挡，起到更好的防止电子溢流的效果。同时，还可以减少对p型层提供的空穴的阻挡，有利于提高空穴的注入。进一步地，每个周期的p型层中的mg的掺杂浓度逐渐升高，也就是说，从有源层到p型层方向，靠近有源层的p型层中的mg的掺杂浓度最高，从而有利于提供更多的空穴，与电子在有源层进行辐射复合发光。且设置多个p型层可提供最大化的空穴数量和空穴浓度，以形成较大的空穴势能流，从而可以大大增加空穴的注入。因此，采用上述外延结构可以有效增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，进而提高二极管的内量子效率。

可选地，发光二极管外延片包括依次层叠在有源层5上的m个周期交替生长的电子阻挡层6和p型层7，2≤m≤6。

若m的个数过多，会导致生长过程较为繁琐，生长周期较慢。若m的个数过少，则无法起到多次阻挡电子的效果，从而无法有效起到防止电子溢流的作用。

可选地，多个电子阻挡层6中的al组分的变化范围为0.1～0.4。

若电子阻挡层中的al组分的含量过高，会对空穴造成阻挡，反而会影响空穴的注入。若电子阻挡层中的al组分的含量过低，又无法对电子起到较好的阻挡作用，防止电子溢流。

示例性地，多个电子阻挡层6中的al组分由0.4逐渐降低至0.1。

可选地，多个电子阻挡层6中的al组分的降低幅度为0.05～0.25。

若多个电子阻挡层6中的al组分的降低幅度过大，会导致生长的电子阻挡层6的层数较少，从而无法对电子进行多次阻挡，则无法起到较好的防止电子溢流的作用。若多个电子阻挡层6中的al组分的降低幅度过小，在保证防止电子溢流的效果的前提下，又会导致需要生长的电子阻挡层6的层数较多，生长周期较长。

可选地，多个电子阻挡层6的厚度的变化范围为1～20nm。

若电子阻挡层的厚度过厚，会对空穴造成阻挡，反而会影响空穴的注入。若电子阻挡层的厚度过薄，又无法对电子起到较好的阻挡作用，防止电子溢流。

示例性地，多个电子阻挡层6的厚度由20nm逐渐减小至1nm。

可选地，多个电子阻挡层的厚度的降低幅度为5～15nm。

若多个电子阻挡层6的厚度的降低幅度过大，会导致生长的电子阻挡层6的层数较少，从而无法对电子进行多次阻挡，则无法起到较好的防止电子溢流的作用。若多个电子阻挡层6的厚度的降低幅度过小，在保证防止电子溢流的效果的前提下，又会导致需要生长的电子阻挡层6的层数较多，生长周期较长。

可选地，p型层7为掺mg的gan层。

可选地，多个p型层7中的mg的掺杂浓度的变化范围为5*10¹⁷cm^-3～6*10²⁰cm^-3。

若p型层7中的mg的掺杂浓度过高，则会导致部分空穴易于与泄露的电子之间产生非辐射复合，从而降低发光效率。若p型层中的mg的掺杂浓度过低，则无法起到有效提高空穴注入的作用。

示例性地，多个p型层7中的mg的掺杂浓度由5*10¹⁷cm^-3逐渐升高至6*10²⁰cm^-3。

可选地，多个p型层7中的mg的掺杂浓度的升高幅度为5*10¹⁷cm^-3～6.5*10²⁰cm^-3。

若多个p型层7中的mg的掺杂浓度的升高幅度过大，会导致生长的p型层7的层数较少，从而无法起到提供最大化的空穴数量和空穴浓度的效果。若多个p型层7的mg的掺杂浓度的升高幅度过小，在保证提供的空穴数量的前提下，又会导致需要生长的p型层7的层数较多，导致生长周期较长。

可选地，多个p型层的厚度逐渐减小，多个p型层7的厚度的变化范围为2～25nm。

若每个周期的p型层7的厚度过厚，则p型层7会吸光，从而降低发光二极管的发光效率，若每个周期的p型层7的厚度过薄，则无法提供足够的空穴与电子进行辐射复合发光，同样会降低发光二极管的发光效率。

示例性地，多个p型层7的厚度由25nm逐渐减小至2nm。

可选地，多个p型层7的厚度的减小幅度为2～15nm。

若多个p型层7的厚度的降低幅度过大，会导致生长的p型层7的层数较少，从而无法起到提供最大化的空穴数量和空穴浓度的效果。若多个p型层7的厚度的降低幅度过小，在保证内量子效率的前提下，又会导致需要生长的p型层7的层数较多，生长周期较长。

可选地，衬底1可以采用蓝宝石(主要成分为al2o3)衬底，优选采用[0001]晶向的蓝宝石。

可选地，低温缓冲层2可以为gan层，厚度为15～30nm。

可选地，高温缓冲层3可以为gan层，厚度为2-3.5um。

可选地，n型层4为掺si的gan层，厚度为2～3um。

可选地，有源层5包括多个周期交替生长的ingan量子阱层和gan量子垒层。其中，有源层5的周期数可以为5～11。ingan量子阱层的厚度为2nm～4nm，优选为3.5nm。gan量子垒层的厚度为9nm～20nm，优选为12nm。

图1所示的发光二极管外延片的一种具体实现包括：发光二极管外延片还包括依次层叠在有源层5上的三个周期交替生长的电子阻挡层6和p型层7。每个周期的电子阻挡层均为alxga1-xn层，0.1≤x≤0.4。

图2是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的部分结构示意图，如图2所示，发光二极管外延片包括依次层叠在有源层5上的第一电子阻挡层61、第一p型层71、第二电子阻挡层62、第二p型层72、第三电子阻挡层63和第三p型层73。

其中，第一电子阻挡层61为alx1ga1-x1n层，0.35≤x1≤0.4。第一电子阻挡层61的厚度为10～20nm。第二电子阻挡层62为alx2ga1-x2n层，0.25≤x2≤0.3。第二电子阻挡层62的厚度为5～15nm。第三电子阻挡层63为alx3ga1-x3n层，0.03≤x3≤0.1。第三电子阻挡层63的厚度为1～6nm。

第一p型层71、第二p型层72和第二p型层73均为掺mg的gan层。第一p型层71中mg的掺杂浓度为5*10¹⁷cm^-3～2*10¹⁸cm^-3。第一p型层71的厚度为15～25nm。第二p型层72中mg的掺杂浓度为5*10¹⁸cm^-3～5*10¹⁹cm^-3。第二p型层72的厚度为10～20nm。第三p型层73中mg的掺杂浓度为1*10²⁰cm^-3～6*10²⁰cm^-3。第三p型层73的厚度为2～8nm。

将上述外延片制成led芯片，与现有技术中制成的芯片相比，led芯片的出光效率增加了12％。

图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图3所示，该制造方法包括：

步骤301、提供一衬底。

步骤302、在衬底上依次生长低温缓冲层、高温缓冲层、n型层和有源层。

步骤303、在有源层上生长多个周期交替生长的电子阻挡层和p型层，每个电子阻挡层均为algan层，沿外延片的层叠方向，每个周期的电子阻挡层中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小，每个周期的p型层中的mg的掺杂浓度逐渐升高。

本公开实施例通过设置多个周期交替生长的电子阻挡层和p型层，其中，沿外延片的层叠方向，每个周期的电子阻挡层中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小。也就是说，从有源层到p型层方向，靠近有源层的电子阻挡层中的al组分最高，厚度最厚，可以阻挡大部分从有源层泄露的电子，防止电子溢流。而后续多个周期的电子阻挡层所需阻挡的电子较少，因此，al组分和厚度可以设置为逐渐降低和逐渐减小，同样也可以进一步对泄露的小部分电子进行阻挡，起到更好的防止电子溢流的效果。同时，还可以减少对p型层提供的空穴的阻挡，有利于提高空穴的注入。进一步地，每个周期的p型层中的mg的掺杂浓度逐渐升高，也就是说，从有源层到p型层方向，靠近有源层的p型层中的mg的掺杂浓度最高，从而有利于提供更多的空穴，与电子在有源层进行辐射复合发光。且设置多个p型层可提供最大化的空穴数量和空穴浓度，以形成较大的空穴势能流，从而可以大大增加空穴的注入。因此，采用上述外延结构可以有效增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，进而提高二极管的内量子效率。

图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图4所示，该制造方法包括：

步骤401、提供一衬底。

其中，衬底可采用蓝宝石平片衬底。

进一步地，步骤401还可以包括：

在氢气气氛下，高温处理衬底5～6min。其中，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力控制在200～500torr。

在本实施例中，采用veecok465iorc4orrbmocvd(metalorganicchemicalvapordeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延片的制造方法。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。反应室压力为100～600torr。

步骤402、在衬底上生长低温缓冲层。

其中，低温缓冲层为gan层。

示例性地，控制反应腔内的温度为530～560℃，压力为200～500torr，在蓝宝石的[0001]面上生长厚度为15～30nm的低温缓冲层。

步骤403、在低温缓冲层上生长高温缓冲层。

其中，高温缓冲层为gan层。

示例性地，控制反应腔内的温度为1000～1100℃，压力为200～600torr，在过渡层上生长厚度为2～3.5um的高温缓冲层。

步骤404、在高温缓冲层上生长n型层。

其中，n型层为掺si的gan层。

示例性地，控制反应腔内的温度为1000～1100℃，压力为150～300torr，在过渡层上生长厚度为2～3um的n型层。

步骤405、在n型层上生长有源层。

其中，多量子阱层包括多个周期交替生长的ingan阱层和gan垒层。其中，多量子阱层的周期数可以为5～11。ingan阱层的厚度为2nm～4nm，优选为3.5nm，gan垒层的厚度为9nm～20nm，优选为12nm。

示例性地，步骤405可以包括：

控制反应腔内的温度为760～780℃，压力为200torr，生长量子阱层；

控制反应腔内的温度为860～890℃，压力为200torr，生长量子垒层。

步骤406、在有源层上生长多个周期交替生长的电子阻挡层和p型层。

其中，每个电子阻挡层均为algan层，沿外延片的层叠方向，每个周期的电子阻挡层中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小，每个周期的p型层中的mg的掺杂浓度逐渐升高。

可选地，在有源层上生长m个周期交替生长的电子阻挡层和p型层，2≤m≤6。

若m的个数过多，会导致生长过程较为繁琐，生长周期较慢。若m的个数过少，则无法起到多次阻挡电子的效果，从而无法有效起到防止电子溢流的作用。

可选地，多个电子阻挡层中的al组分的变化范围为0.1～0.4。

若电子阻挡层中的al组分的含量过高，会对空穴造成阻挡，反而会影响空穴的注入。若电子阻挡层中的al组分的含量过低，又无法对电子起到较好的阻挡作用，防止电子溢流。

示例性地，多个电子阻挡层中的al组分由0.4逐渐降低至0.1。

可选地，多个电子阻挡层中的al组分的降低幅度为0.05～0.25。

若多个电子阻挡层中的al组分的降低幅度过大，会导致生长的电子阻挡层的层数较少，从而无法对电子进行多次阻挡，则无法起到较好的防止电子溢流的作用。若多个电子阻挡层中的al组分的降低幅度过小，在保证防止电子溢流的效果的前提下，又会导致需要生长的电子阻挡层的层数较多，生长周期较长。

可选地，多个电子阻挡层的厚度的变化范围为1～20nm。

若电子阻挡层的厚度过厚，会对空穴造成阻挡，反而会影响空穴的注入。若电子阻挡层的厚度过薄，又无法对电子起到较好的阻挡作用，防止电子溢流。

示例性地，多个电子阻挡层的厚度由20nm逐渐减小至1nm。

可选地，多个电子阻挡层的厚度的降低幅度为5～15nm。

若多个电子阻挡层的厚度的降低幅度过大，会导致生长的电子阻挡层的层数较少，从而无法对电子进行多次阻挡，则无法起到较好的防止电子溢流的作用。若多个电子阻挡层的厚度的降低幅度过小，在保证防止电子溢流的效果的前提下，又会导致需要生长的电子阻挡层的层数较多，生长周期较长。

可选地，p型层为掺mg的gan层。

可选地，多个p型层中的mg的掺杂浓度的变化范围为5*10¹⁷cm^-3～6*10²⁰cm^-3。

若p型层中的mg的掺杂浓度过高，则会导致部分空穴易于与泄露的电子之间产生非辐射复合，从而降低发光效率。若p型层中的mg的掺杂浓度过低，则无法起到有效提高空穴注入的作用。

示例性地，多个p型层中的mg的掺杂浓度由5*10¹⁷cm^-3逐渐升高至6*10²⁰cm^-3。

可选地，多个p型层中的mg的掺杂浓度的升高幅度为5*10¹⁷cm^-3～6.5*10²⁰cm^-3。

若多个p型层中的mg的掺杂浓度的升高幅度过大，会导致生长的p型层的层数较少，从而无法起到提供最大化的空穴数量和空穴浓度的效果。若多个p型层的mg的掺杂浓度的升高幅度过小，在保证提供的空穴数量的前提下，又会导致需要生长的p型层的层数较多，导致生长周期较长。

可选地，多个p型层的厚度逐渐减小，多个p型层7的厚度的变化范围为2～25nm。

若每个周期的p型层的厚度过厚，则p型层会吸光，从而降低发光二极管的发光效率，若每个周期的p型层的厚度过薄，则无法提供足够的空穴与电子进行辐射复合发光，同样会降低发光二极管的发光效率。

示例性地，多个p型层的厚度由25nm逐渐减小至2nm。

可选地，多个p型层的厚度的减小幅度为2～15nm。

若多个p型层的厚度的降低幅度过大，会导致生长的p型层的层数较少，从而无法起到提供最大化的空穴数量和空穴浓度的效果。若多个p型层的厚度的降低幅度过小，在保证内量子效率的前提下，又会导致需要生长的p型层的层数较多，生长周期较长。

可选地，多个电子阻挡层的生长温度均为930～970℃，生长压力均为100～200torr。

若电子阻挡层的生长温度过高，会导致量子阱中的in组分析出影响晶体质量。若电子阻挡层的生长温度过低，又会导致其自身生长质量变差。

若电子阻挡层的生长压力过高，会导致预反应较多。若电子阻挡层的生长压力过低，又会导致生长速率过低影响al掺杂效果。

可选地，多个p型层的生长温度均为940～980℃，生长压力均为200～600torr。

若p型层的生长温度过高，会导致接近p型层的量子阱层其in析出变多影响界面生长质量。若p型层的生长温度过低，则不利于p型层中mg的掺杂。

若p型层的生长压力过高，会导致表面变得粗糙最终影响整体外延片的平整度。若p型层的生长压力过低，则不利于p型层中mg的掺杂。

本公开实施例通过设置多个周期交替生长的电子阻挡层和p型层，其中，沿外延片的层叠方向，每个周期的电子阻挡层中的al组分逐渐降低，厚度逐渐减小。也就是说，从有源层到p型层方向，靠近有源层的电子阻挡层中的al组分最高，厚度最厚，可以阻挡大部分从有源层泄露的电子，防止电子溢流。而后续多个周期的电子阻挡层所需阻挡的电子较少，因此，al组分和厚度可以设置为逐渐降低和逐渐减小，同样也可以进一步对泄露的小部分电子进行阻挡，起到更好的防止电子溢流的效果。同时，还可以减少对p型层提供的空穴的阻挡，有利于提高空穴的注入。进一步地，每个周期的p型层中的mg的掺杂浓度逐渐升高，也就是说，从有源层到p型层方向，靠近有源层的p型层中的mg的掺杂浓度最高，从而有利于提供更多的空穴，与电子在有源层进行辐射复合发光。且设置多个p型层可提供最大化的空穴数量和空穴浓度，以形成较大的空穴势能流，从而可以大大增加空穴的注入。因此，采用上述外延结构可以有效增加电子和空穴的波函数在空间分布上的重叠度，进而提高二极管的内量子效率。

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。