一种发光二极管外延片及其制备方法与流程

1.本发明涉及发光二极管技术领域，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.gan材料由于其具有热产生效率低、抗辐射、击穿电压高、电子饱和漂移速度大以及介电常数小等优点，已被广泛应用在电子器件、发光二极管(led)和半导体激光器(ld)等领域，成为当前研究的热点。随着ⅲ族氮化物外延技术的发展和器件制备工艺的进步，为满足高性能大功率gan基光电子器件和电力电子器件的要求，制备具有更高质量的gan材料是必要的，同样也是具有挑战性的。
3.目前，外延生长gan薄膜的常用衬底为蓝宝石(al2o3)、碳化硅(sic)和硅(si)，其中，蓝宝石衬底和碳化硅衬底外延生长gan薄膜已经非常成熟，但其价格偏贵，特别是碳化硅衬底的价格昂贵，大大增加了生产成本，而蓝宝石衬底虽然价格较为便宜，但蓝宝石本身散热效果不好，很难实现大尺寸外延生长。值得注意的是，硅衬底外延生长的gan薄膜，虽然其导热性好，可实现大尺寸外延，特别是6寸、8寸和12寸外延片，可降低生产成本，具有极大的市场竞争力，但是通过硅衬底生长的gan外延层的晶格失配和热失配较大，缺陷密度高。为了生长高质量、低位错密度的外延片，良好的衬底材料需要与外延材料在晶格常数、晶体结构以及热膨胀系数方面有较好的匹配度。
4.在现有的硅基gan led外延过程中，通常采用低温aln或低温gan作为si衬底与gan外延层之间的缓冲层，以减小衬底与gan外延层之间的晶格失配，降低位错密度，提高外延层晶体质量，但是，由于硅的晶格常数(0.5431nm)、禁带宽度(1.12ev)与gan以及aln差异比较大，在低温aln或低温gan缓冲层上生长的外延层晶体质量并不高，其中，gan的晶格常数、禁带宽度分别为0.3189nm、3.4ev，aln的晶格常数、禁带宽度分别为0.3112nm、6.2ev，为此，需要找到晶格常数、禁带宽度与硅衬底更加匹配的外延缓冲层，以进一步减少位错密度，提高外延层晶体质量。


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，旨在解决现有技术中，发光二极管外延片衬底为si衬底时，外延层中位错密度高，晶体质量差的问题。
6.根据本发明实施例当中的一种发光二极管外延片，其特征在于，包括缓冲层，所述缓冲层包括依次外延生长的第一子层、第二子层和第三子层，所述第一子层和所述第二子层均为inn层，所述第三子层为ingan层；
7.其中，所述第一子层的生长温度低于所述第二子层的生长温度，且所述第三子层的in组分沿外延生长的方向逐渐减少。
8.进一步的，第一子层的生长温度为400～600℃，所述第二子层的生长温度为600～700℃，所述第三子层的生长温度为700～900℃。
9.进一步的，所述第一子层的生长模式为三维生长模式，
ⅴ
/ⅲ比范围为300～600。
10.进一步的，所述第二子层的生长模式为二维生长模式，
ⅴ
/ⅲ比范围为30～60。
11.进一步的，所述第三子层的in组分沿外延生长的方向由1逐渐减小至0。
12.进一步的，所述第一子层的厚度为10～30nm，所述第二子层的厚度为20～50nm，所述第三子层的厚度为20～30nm。
13.进一步的，所述发光二极管外延片还包括衬底、未掺杂的gan层、n型掺杂gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型掺杂gan层以及接触层；
14.所述缓冲层、所述未掺杂的gan层、所述n型掺杂gan层、所述多量子阱层、所述电子阻挡层、所述p型掺杂gan层以及所述接触层依次外延生长于所述衬底上。
15.进一步的，所述衬底为si衬底。
16.根据本发明实施例当中的一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，用于制备上述的发光二极管外延片，在生长所述发光二极管外延片的缓冲层时，所述制备方法包括：
17.以h2和n2做载气并通入生长对应所需的源，在第一预设温度下生长inn层，以制备所述缓冲层的第一子层；
18.在所述第一子层上，在第二预设温度下生长inn层，以制备所述缓冲层的第二子层，其中，所述第一预设温度低于所述第二预设温度；
19.在所述第二子层上，生长ingan层，以制备所述缓冲层的第三子层，其中，控制所述第三子层的in组分沿外延生长的方向逐渐减少。
20.进一步的，在生长所述发光二极管外延片的缓冲层之前，还包括：
21.提供一外延生长所需的衬底，所述缓冲层生长于所述衬底上；
22.在生长所述发光二极管外延片的缓冲层之后，还包括：
23.在所述缓冲层上依次外延生长未掺杂的gan层、n型掺杂gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型掺杂gan层以及接触层。
24.与现有技术相比：通过生长第一子层，由于第一子层为低温inn层，其粗糙的表面可以使部分位错湮灭，降低位错密度，然后再生长第二子层，该第二子层为高温inn层，可以填平第一子层，使表面平整，从而提升了inn层的晶体质量，最后再生长in组分沿外延生长的方向逐渐减少的ingan层，可降低inn层与后续gan外延层之间的晶格失配，减少缺陷的产生，最终达到提高外延层的晶体质量的目的。
附图说明
25.图1为本发明实施例一当中的发光二极管外延片的结构示意图。
具体实施方式
26.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。
27.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接
到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
28.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。
29.实施例一
30.请参阅图1，所示为本发明实施例一中的发光二极管外延片，包括衬底、以及依次外延生长于衬底上的缓冲层、未掺杂的gan层、n型掺杂gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型掺杂gan层以及接触层。
31.在本实施例当中，衬底为si衬底，缓冲层为复合型缓冲层，具体地，缓冲层包括依次外延生长的第一子层、第二子层和第三子层，其中，第一子层和第二子层均为inn层，需要说明的是，si的晶格常数为0.5431nm，禁带宽度为1.12ev，inn的禁带宽度为0.7ev，晶格常数为0.354nm，可以发现si与inn的晶格常数和禁带宽度较为匹配，可以降低因晶格失配而产生的位错，从而提高外延层生长的晶体质量。
32.具体的，在生长第一子层和第二子层的过程中，第一子层的生长温度低于第二子层的生长温度，该设置的目的在于，由于第一子层是在低温环境下通过三维生长模式生长得到的，
ⅴ
/ⅲ比范围为300～600，使得第一子层可以形成粗糙的表面，以湮灭部分位错，降低位错密度，再在第一子层上生长在高温环境下通过二维生长模型生长得到的第二子层，
ⅴ
/ⅲ比范围为30～60，可以填平三维生长的第一子层，使表面平整，进而得到晶体质量较好的inn层，其中，第一子层的生长温度为400～600℃，第二子层的生长温度为600～700℃。
33.进一步的，在生长完inn层后，再在inn层上外延生长第三子层，第三子层为ingan层，在生长ingan层的过程中，in组分沿外延生长的方向逐渐减少，可降低inn层与后续gan外延层之间的晶格失配，减少缺陷的产生，进一步提高外延层的晶体质量，其中，第三子层的生长温度为700～900℃，in组分沿外延生长的方向由1逐渐减小至0。
34.在本实施例一些较佳实施情况当中，第一子层为低温inn层，第二子层为高温inn层，具体地，第一子层的生长温度可以为500℃，
ⅴ
/ⅲ比可以为400，第二子层的生长温度可以为650℃，
ⅴ
/ⅲ比可以为40，第三子层为ingan层，其中，第三子层的生长温度可以为900℃，
ⅴ
/ⅲ比可以为100。
35.在一些优选实施例当中，缓冲层的总厚度为50～110nm，第一子层的厚度为10～30nm，所述第二子层的厚度为20～50nm，所述第三子层的厚度为20～30nm。
36.另一方面，本实施例还提出一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备本实施例当中的发光二极管外延片，所述制备方法包括如下步骤：
37.步骤s11：提供一外延生长所需的衬底，在1000～1200℃温度，150～500torr压力下，在h2气氛中下对衬底进行高温退火处理5～10min。
38.其中，衬底优选为(111)晶向的si衬底。
39.步骤s12：退火完成后，在所述si衬底上，通过mocvd沉积设备依次沉积第一子层和第二子层，其中，第一子层为在低温环境下生长的inn层，第二子层为在高温环境下生长的inn层，具体的，第一子层厚度为10～30nm，生长温度为400～600℃，生长压力为200～
300torr，生长时的
ⅴ
/ⅲ比范围为300～600，为三维生长模式，第二子层厚度为20～50nm，生长温度为600～700℃，生长压力为100～200torr，生长时的
ⅴ
/ⅲ比范围在30～60，为二维生长模式，需要说明的是，依次通过三维生长模式和二维生长模式生长inn层，有利于提升inn层的晶体质量。
40.第二子层生长结束后，再在第二子层上沉积第三子层，第三子层为ingan层，且ingan层为in组分沿外延生长的方向由高到低逐渐减少的渐变层，第三子层厚度为20～30nm间，生长温度为700～900℃，生长压力为100～200torr，in组分沿外延生长的方向由高到低的渐变范围可以从1渐变到0。
41.在本实施例当中，三甲基铝(tmal)、三甲基镓或三乙基镓(tmga或tega)和氨气分别作为ⅲ族源和
ⅴ
族源的前驱体，硅烷和二茂镁分别作为n型掺杂剂和p型掺杂剂的前驱体，氮气和氢气作为载气。
42.步骤s13：在所述缓冲层上生长未掺杂的gan层，生长温度为1050～1200℃，生长压力为100～300torr。
43.示例性地，未掺杂的gan层的生长厚度约为1～3μm。
44.步骤s14：在所述未掺杂的gan层上生长n型掺杂gan层，生长温度为1100～1200℃，生长压力为100～300torr。
45.示例性地，n型掺杂gan层为掺杂si的gan层，其厚度约为1～3μm，si掺杂浓度为10
19
cm-3
～10
20
cm-3
。
46.步骤s15：在所述n型gan层上生长多量子阱层。
47.可选地，多量子阱层由5到12个周期ingan/gan组成，其中，ingan层为阱层，gan层为垒层，具体的，多量子阱层中单个ingan阱层厚度为2～4nm，生长温度为800～900℃，生长压力为100～300torr，多量子阱层中单个gan垒层的厚度为8～20nm，生长温度为900～1000℃，生长压力为100～300torr。
48.步骤s16：在所述多量子阱层上生长电子阻挡层，反应腔温度为950～1100℃，生长压力为50～100torr。
49.示例性地，所述电子阻挡层可以是algan层，algan层的厚度为20～50nm，生长温度为950～1100℃，生长压力为50～100torr，al组分为0.1～0.5。
50.步骤s17：在所述电子阻挡层上生长p型掺杂gan层，生长温度为950～1050℃，生长压力为100～600torr。
51.示例性地，p型掺杂gan层为掺杂mg的gan层，其厚度约为30～200nm，mg掺杂浓度为10
19
cm-3
～10
20
cm-3
。
52.步骤s18：在所述p型掺杂gan层上生长gan接触层。
53.示例性地，所述gan接触层的生长温度可为1000～1100℃，生长压力为100～300torr，厚度可以为10～50nm。
54.步骤s19：在所述gan接触层生长完成后，将反应腔温度降低，在氮气气氛中进行退火处理，退火温度为650～850℃，退火处理时间为5～15min，后降至室温，则外延生长结束。
55.实施例二
56.本发明实施例二也提出一种发光二极管外延片及其制备方法，本实施例当中的发光二极管外延片及其制备方法与实施例一当中的发光二极管外延片及其制备方法的不同
之处在于：
57.第一子层的厚度为20nm，生长温度为500℃，生长压力为300torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为400；第二子层的厚度为50nm，生长温度为650℃，生长压力为100torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为40；第三子层的厚度为30nm，生长温度为900℃，生长压力为100torr，in组分沿外延生长的方向从1渐变到0，
ⅴ
/ⅲ比为100。
58.实施例三
59.本发明实施例三也提出一种发光二极管外延片及其制备方法，本实施例当中的发光二极管外延片及其制备方法与实施例一当中的发光二极管外延片及其制备方法的不同之处在于：
60.第一子层的厚度为20nm，生长温度为550℃，生长压力为300torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为400；第二子层的厚度为50nm，生长温度为700℃，生长压力为100torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为40；第三子层的厚度为30nm，生长温度为950℃，生长压力为100torr，in组分沿外延生长的方向从1渐变到0，
ⅴ
/ⅲ比为100。
61.实施例四
62.本发明实施例四也提出一种发光二极管外延片及其制备方法，本实施例当中的发光二极管外延片及其制备方法与实施例一当中的发光二极管外延片及其制备方法的不同之处在于：
63.第一子层的厚度为20nm，生长温度为600℃，生长压力为300torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为400；第二子层的厚度为50nm，生长温度为750℃，生长压力为100torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为40；第三子层的厚度为30nm，生长温度为1000℃，生长压力为100torr，in组分沿外延生长的方向从1渐变到0，
ⅴ
/ⅲ比为100。
64.实施例五
65.本发明实施例五也提出一种发光二极管外延片及其制备方法，本实施例当中的发光二极管外延片及其制备方法与实施例一当中的发光二极管外延片及其制备方法的不同之处在于：
66.第一子层的厚度为30nm，生长温度为500℃，生长压力为300torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为400；第二子层的厚度为75nm，生长温度为650℃，生长压力为100torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为40；第三子层的厚度为45nm，生长温度为900℃，生长压力为100torr，in组分沿外延生长的方向从1渐变到0，
ⅴ
/ⅲ比为100。
67.实施例六
68.本发明实施例六也提出一种发光二极管外延片及其制备方法，本实施例当中的发光二极管外延片及其制备方法与实施例一当中的发光二极管外延片及其制备方法的不同之处在于：
69.第一子层的厚度为40nm，生长温度为500℃，生长压力为300torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为400；第二子层的厚度为100nm，生长温度为650℃，生长压力为100torr，in组分为1，
ⅴ
/ⅲ比为40；第三子层的厚度为60nm，生长温度为900℃，生长压力为100torr，in组分沿外延生长的方向从1渐变到0，
ⅴ
/ⅲ比为100。
70.对比例一
71.其中，本发明对比例一也提出一种发光二极管外延片及其制备方法，本实施例当
中的发光二极管外延片及其制备方法与实施例一当中的发光二极管外延片及其制备方法的不同之处在于：
72.对比例一当中的缓冲层为ain层，即不为inn层和ingan层的复合层，ain层的厚度为200nm，生长温度为1100℃，生长压力为50torr，
ⅴ
/ⅲ比为200。
73.请参阅下表1，所示为本发明上述实施例二～六及对比例一对应的参数，以及对应的在相同参数下的测试数据。
74.表1：
[0075][0076]
在实际应用当中，分别采用本发明上述实施例二～六、及对比例一所对应的制备方法及参数制备得到对应的发光二极管，并对各实例制备得到的发光二极管进行波长、正向/反向电压、电致发光强度以及光输出功率测试，测试数据如下表2所示。需要说明的是，为了保证验证结果的可靠性，本发明上述实施例二～六、及对比例一对应制备发光二极管时除上述参数不同以外、其它都应当相同，例如除缓冲层的其他层的制备工艺及参数都应当保持一致。
[0077]
表2：
[0078][0079]
结合上述表1和表2的数据可以明显看出，本发明实施例采用第一子层、第二子层以及第三子层复合的缓冲层，同时第一子层和第二子层均为inn层，第三子层为ingan层，第一子层的生长温度低于第二子层的生长温度，且第三子层的in组分沿外延生长的方向逐渐
减少，明显提升了所制备得到的发光二极管的电致发光强度和光输出功率。
[0080]
综上，本发明实施例当中的发光二极管外延片及其制备方法，通过生长第一子层，由于第一子层为低温inn层，其粗糙的表面可以使部分位错湮灭，降低位错密度，然后再生长第二子层，该第二子层为高温inn层，可以填平第一子层，使表面平整，从而提升了inn层的晶体质量，最后再生长in组分沿外延生长的方向逐渐减少的ingan层，可降低inn层与后续gan外延层之间的晶格失配，减少缺陷的产生，最终达到提高外延层的晶体质量的目的
[0081]
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。