一种发光二极管外延片及其制备方法与流程

1.本发明涉及光电技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制备方法。


背景技术：

2.目前，gan基发光二极管已经大量应用于固态照明领域以及显示领域，吸引着越来越多的人关注。gan基发光二极管已经实现工业化生产、在背光源、照明、景观灯等方面都有应用。
3.现阶段gan发光二极管外延片通常使用磁控溅射方法在衬底上生长aln缓冲层，然后再将镀有aln缓冲层的衬底放置到金属有机化合物化学气相沉积设备（mocvd）的反应腔中，生长完整的发光二极管外延片。但是在镀有aln缓冲层的衬底放入mocvd设备的转移过程中，表面不可避免的会产生污染，造成外延片表面有颗粒状等缺陷。现阶段的处理方法是在镀有aln的外延片放入mocvd中后，对其进行高温h2处理，利用h2的刻蚀作用，高温对衬底表面进行处理5-15min。
4.然而，这样的方法一方面持续高温会产生很大的翘曲，导致生长后面的外延层时应力累积，晶格质量变差，表面容易出现黑点雾化等缺陷，并且影响到光电性能；另一方面，h2具有刻蚀作用，而且温度过高，容易造成aln薄膜的分解，不仅影响光电性能，也会产生便面雾化，如果温度偏低，清洁aln薄膜杂质的效果会大打折扣。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种发光二极管外延片及其制备方法，用于解决现有技术中，采用h
2 对aln表面蚀刻，导致对后续发光二极管外延片制备效果造成影响的技术问题。
6.本发明提出一方面提出一种发光二极管外延片制备方法，所述方法包括：提供一衬底，并在所述衬底表面生长aln缓冲层；对所述aln缓冲层依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，以在所述aln缓冲层的表面上形成多层次的aln薄膜层，直至所述aln薄膜层的总厚度达到预设目标值，得到aln处理层；在所述aln处理层上依次生长n型半导体层、发光层以及p型半导体层。
7.进一步地，所述发光二极管外延片制备方法，其中，所述对所述aln缓冲层依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，以在所述aln缓冲层的表面上形成多层次的aln薄膜层的步骤具体包括：将所述aln缓冲层依次进行四个阶段的处理后，得到第一aln薄膜层；在所述第一aln薄膜层上按照所述四个阶段进行循环处理，以得到所述多层次的aln薄膜层；其中，所述四个阶段包括：第一阶段，通入nh3，并控制所述nh3与所述aln缓冲层的反应温度在第一预设温度
范围内，反应时间在第一预设时间范围内；第二阶段，关闭nh3的输入，通入h2，并控制所述h2与所述aln缓冲层的反应温度在第二预设温度范围内，反应时间在第二预设时间范围内；第三阶段，关闭h2的输入，通入n2，并控制所述n2与所述aln缓冲层的反应温度在第三预设温度范围内，反应时间在第三预设时间范围内；第四阶段，同时通入n2、nh3、h2及al源，并控制所述n2、nh3、h2及al源与所述aln缓冲层的反应温度在第四预设温度范围内，反应时间在第四预设时间范围内。
8.进一步地，所述发光二极管外延片制备方法，其中，在所述第一阶段中，所述第一预设温度范围为800-900℃，所述第一预设时间范围为10-20s；在所述第二阶段中，所述第二预设温度范围为1100-1150℃，所述第二预设时间范围为30s-1min；在所述第三阶段中，所述第三预设温度范围为1100-1150℃，所述第三预设时间范围为10-20s；在所述第四阶段中，所述第四预设温度范围为900-1000℃，所述第四预设时间范围为10-20s。
9.进一步地，所述发光二极管外延片制备方法，其中，所述第一阶段至所述第四阶段采用mocvd设备，在所述第一阶段和所述第四阶段中，所述mocvd设备的反应腔以300-600r/min的转速进行旋转，且控制所述反应腔内的压力为50-200torr。
10.进一步地，所述发光二极管外延片制备方法，其中，在所述第二阶段和所述第三阶段中，所述反应腔以300-600r/min的转速进行旋转，且控制所述反应腔内的压力为300-600torr。
11.进一步地，所述发光二极管外延片制备方法，其中，所述第一阶段至所述第四阶段的循环处理的周期数为1-10次。
12.进一步地，所述发光二极管外延片制备方法，其中，所述aln薄膜层的厚度为0.2-1nm。
13.进一步地，所述发光二极管外延片制备方法，其中，所述在所述aln处理层上依次生长n型半导体层、发光层以及p型半导体层的步骤具体包括：在所述aln处理层上依次生长3d生长层、填平层、u型gan层、n型半导体层及发光层；在所述发光层上依次生长电子阻挡层及p型半导体层。
14.进一步地，所述发光二极管外延片制备方法，其中，所述3d生长层的厚度为0.5-1.5μm，所述填平层的厚度为1-3μm，所述u型gan层的厚度为300-800nm。
15.本发明另一方面提出一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片采用上述技术方案中所述的发光二极管外延片制备方法制成。
16.上述发光二极管外延片及其制备方法，通过对aln缓冲层的表面依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，减少了外延片表面颗粒状缺陷，还不会产生很大的翘曲，有利于后面生长出晶格质量良好的外延层，避免了外延片表面产生雾化、黑点等现象，很好的改善了外延片表面缺陷，解决了现有技术中，采用h2对aln表面蚀刻，导致对后续发光二极管外
延片制备效果造成影响的技术问题。
附图说明
17.本发明的上述与/或附加的方面与优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显与容易理解，其中：图1为本发明第一实施例中发光二极管外延片制备方法的流程图；图2为本发明第三实施例中发光二极管的层状结构示意图；图中主要元器件符号说明：1-衬底、2-aln缓冲层、3-aln处理层、4-3d生长层、5-填平层、6-u型gan层、7-n型半导体层、8-发光层、9-电子阻挡层、10-p型半导体层。
具体实施方式
18.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
19.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
20.实施例一请参阅图1，所示为本发明第一实施例中的发光二极管外延片制备方法的流程图，所述方法包括步骤s101至s103：步骤s101，提供一衬底，并在所述衬底表面生长aln缓冲层；在具体实施时，首先在衬底上溅射一层aln缓冲层，aln晶体由于与gan材料比较接近的晶格常数和热膨胀系数，可以有效解决衬底和gan材料失配较大的难题，可以提升gan基led外延片的晶体质量，从而提升led的光电性能，衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、石英玻璃、金属等耐高温材料。其中，衬底的厚度为50至500微米，为保证晶圆片在外延和工艺过程中的稳固性，衬底的优选厚度为150至430微米。在本实施例中，所述aln缓冲层的厚度优选为10-50nm。
21.步骤s102，对所述aln缓冲层依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，以在所述aln缓冲层的表面上形成多层次的aln薄膜层，直至所述aln薄膜层的总厚度达到预设目标值，得到aln处理层；具体地，在本实施例中，当衬底的表面镀完aln缓冲层后，再将蒸镀aln缓冲层的衬底转移至mocvd（金属有机气相沉积）反应腔体内进行aln缓冲层的表面清理、沉积处理以及外延片的生长，其中，为保证最终得到更高质量的aln层，组分均匀且取向一致，底层的aln缓冲层的厚度应小于目标aln处理层的总厚度，在本实施例中，所述aln缓冲层的厚度优选为10-50nm，而每一aln薄膜层的厚度优选为0.2-1nm。
22.步骤s103，在所述aln处理层上依次生长n型半导体层、发光层以及p型半导体层。
23.具体地，本实施例中，可采用金属化学气相沉积法mocvd在基底上生长led外延结
构，采用高纯氢气作为载气、高纯氨气作为氮源、三甲基镓和三乙基镓作为镓源、三甲基铟作为铟源、硅烷作为n型掺杂剂、三甲基铝作为铝源以及二茂镁作为p型掺杂剂，其中，n型半导体层为n型gan层，p型半导体层为p型gan层，发光层为多量子阱有源层，其中，所述n型gan层的厚度为1-3μm，si掺杂浓度为5
×
10
18-1
×
10
19 cm-3
；p型gan层的厚度为200-300nm，mg的掺杂浓度为5
×
10
17-1
×
10
20
cm-3
；多量子阱有源层中in组分所占摩尔比例为10％-35％；所述单个量子阱层的厚度为2-5nm，所述单个量子垒层的厚度为3-15nm。
24.综上，本发明上述实施例当中的发光二极管外延片制备方法，通过对aln缓冲层的表面依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，减少了外延片表面颗粒状缺陷，还不会产生很大的翘曲，有利于后面生长出晶格质量良好的外延层，避免了外延片表面产生雾化、黑点等现象，很好的改善了外延片表面缺陷，解决了现有技术中，采用h2对aln表面蚀刻，导致对后续发光二极管外延片制备效果造成影响的技术问题。
25.实施例二本发明第二实施例中的发光二极管外延片制备方法，所述方法包括：步骤s11，提供一衬底，并在所述衬底表面生长aln缓冲层；在具体实施时，首先在衬底上溅射一层aln缓冲层，aln晶体由于与gan材料比较接近的晶格常数和热膨胀系数，可以有效解决衬底和gan材料失配较大的难题，可以提升gan基led外延片的晶体质量，从而提升led的光电性能，衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、石英玻璃、金属等耐高温材料。其中，衬底的厚度为50至500微米，为保证晶圆片在外延和工艺过程中的稳固性，衬底的优选厚度为150至430微米。在本实施例中，所述aln缓冲层的厚度优选为10-50nm。
26.步骤s12，对所述aln缓冲层依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，以在所述aln缓冲层的表面上形成多层次的aln薄膜层，直至所述aln薄膜层的总厚度达到预设目标值，得到aln处理层；具体地，在本实施例中，当衬底的表面镀完aln缓冲层后，再将蒸镀aln缓冲层的衬底转移至mocvd（金属有机气相沉积）反应腔体内进行aln缓冲层的表面清理、沉积处理以及外延片的生长，其中，为保证最终得到更高质量的aln层，组分均匀且取向一致，底层的aln缓冲层的厚度应小于目标aln处理层的总厚度，在本实施例中，所述aln缓冲层的厚度优选为10-50nm，而每一aln薄膜层的厚度优选为0.2-1nm。
27.步骤s13，在所述aln处理层上依次生长n型半导体层、发光层以及p型半导体层。
28.具体地，本实施例中，可采用金属化学气相沉积法mocvd在基底上生长led外延结构，采用高纯氢气作为载气、高纯氨气作为氮源、三甲基镓和三乙基镓作为镓源、三甲基铟作为铟源、硅烷作为n型掺杂剂、三甲基铝作为铝源以及二茂镁作为p型掺杂剂，其中，n型半导体层为n型gan层，p型半导体层为p型gan层，发光层为多量子阱有源层，其中，所述n型gan层的厚度为1-3μm，si掺杂浓度为5
×
10
18-1
×
10
19 cm-3
；p型gan层的厚度为200-300nm，mg的掺杂浓度为5
×
10
17-1
×
10
20
cm-3
；多量子阱有源层中in组分所占摩尔比例为10％-35％；所述单个量子阱层的厚度为2-5nm，所述单个量子垒层的厚度为3-15nm。
29.进一步地，所述对所述aln缓冲层依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，以在所述aln缓冲层的表面上形成多层次的aln薄膜层的步骤具体包括：将所述aln缓冲层依次进行四个阶段的处理后，得到第一aln薄膜层；
600torr, 转速设置为 1000-1200r/min，时间为10-20s，生长aln薄膜层第三阶段，其中，第三阶段是高温n2处理阶段，此段一方面是在高温下氮化aln薄膜，另一方面n2的粘滞系数较高，可以将第二阶段的的杂质颗粒和腔体内壁在高温高速下掉落的小颗粒一起带出腔体外；第四阶段，同时通入n2、h2及nh3的混合气体，通入al源，控制反应室温度至900-1000℃，生长压力为50-200torr，转速设置为 300-600r/min，生长aln薄膜层，其中，第四阶段是同时通入n2、h2和nh3，生长的aln薄膜层，这一层通入的al非常少，具体为5-15sccm，在第三阶段生长过后氮化的衬底上，形成的aln薄膜层质量更好，可以使得的aln处理层更加稳定；可以理解地，本发明通过这样循环生长的方式，第二阶段和第三阶段高温主要用来达到清洁衬底表面，以实现减少外延片表面颗粒状缺陷的目的，第一阶段和第四阶段，一方面用来释放第二阶段和第三阶段产生的应力，平缓高温产生的翘曲，还很好的保护了aln缓冲层不被高温分解，不被h2的刻蚀作用破坏。
35.本发明既减少了外延片表面颗粒状缺陷，还不会产生很大的翘曲，有利于后面生长出晶格质量良好的外延层，避免了外延片表面产生雾化、黑点等现象，很好的改善了外延片表面缺陷。
36.综上，本发明上述实施例当中的发光二极管外延片制备方法，通过对aln缓冲层的表面依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，减少了外延片表面颗粒状缺陷，还不会产生很大的翘曲，有利于后面生长出晶格质量良好的外延层，避免了外延片表面产生雾化、黑点等现象，很好的改善了外延片表面缺陷，解决了现有技术中，采用h2对aln表面蚀刻，导致对后续发光二极管外延片制备效果造成影响的技术问题。
37.实施例三具体可参阅图2，所述为本发明第三实施例中发光二极管外延片的层状结构示意图，包括一衬底1、以及依次层叠设置在所述衬底1上的aln缓冲层2、aln处理层3、3d生长层4、填平层5、不掺杂的u型gan层6、n型半导体层7（掺杂si的n型gan层）、发光层8（量子阱）、电子阻挡层9和p型半导体层10（掺杂mg的p型gan层），其制备工序包括：步骤s201，提供一种衬底，优选为蓝宝石衬底；步骤s202，将所述衬底采用物理气相沉积(physical vapor deposition，pvd)系统中在衬底上生长aln缓冲层；步骤s203，对所述aln缓冲层依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，以在所述aln缓冲层的表面上形成多层次的aln薄膜层，直至所述aln薄膜层的总厚度达到预设目标值，得到aln处理层；需要解释的是，关于本实施例中步骤s201、步骤s202及步骤s203中未描述之处可参见第一实施例。
38.步骤s204，在所述aln处理层上生长3d生长层，控制反应室温度为1000℃～1050℃，生长压力为100～400torr；步骤s205，在所述3d生长层上生长填平层，控制反应室温度为1000℃～1100℃，生长压力为100～500torr；步骤s206，在所述填平层上生长不掺杂的u型gan层，控制反应室温度为1100℃～
1150℃，生长压力为100～500torr；步骤s207，在所述u型gan层上生长掺杂si的n型gan层，控制反应室温度为1100℃～1150℃，生长压力为100torr～500torr；步骤s208，在所述n型gan层上生长发光层，具体包括：控制反应室温度为720～800℃，生长ingan量子阱层；控制反应室温度为830～950℃，生长量子垒层，其中，所述发光层的生长压力为100～500torr；步骤s2013，在所述发光层上生长电子阻挡层，控制反应室温度为900～1000℃，生长压力为100～300torr；步骤s2014，在所述电子阻挡层上生长p型gan层，其生长温度为800～1000℃，生长压力为100～300torr。
39.综上，本发明上述实施例当中的发光二极管外延片制备方法，通过对aln缓冲层的表面依次进行循环交替的清洁处理和沉积处理，减少了外延片表面颗粒状缺陷，还不会产生很大的翘曲，有利于后面生长出晶格质量良好的外延层，避免了外延片表面产生雾化、黑点等现象，很好的改善了外延片表面缺陷，解决了现有技术中，采用h2对aln表面蚀刻，导致对后续发光二极管外延片制备效果造成影响的技术问题。
40.在本发明的第四实施例中还提供了一种发光二极管外延片，该发光二极管外延片采用上述技术方案中所述的发光二极管外延片制备方法制成。
41.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、
ꢀ“
示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
42.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。