一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片

摘要

本发明公开了一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片，属于发光二极管技术领域。本发明中的制备方法包括：在衬底上生长外延片，在外延片生长完成之后，在N2和NH3的混合气体中对所述外延片进行退火处理。退火处理过程中，NH3会抑制GaN在高温条件下的分解，并且进一步抑制p型GaN层中Mg的析出。最终达到提高p型GaN层中的空穴浓度，增加能够进入外延片的有源层与电子复合的空穴数量，最终提高发光二极管发光效率的目的。

权利要求

1.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：提供一衬底；

在所述衬底上生长发光二极管的外延片；

在所述发光二极管的外延片生长完成之后，在N2和NH3的混合气体中对所述外延片进行退火处理，所述在所述发光二极管的外延片生长完成之后，在N2和NH3的混合气体中对所述外延片进行退火处理，包括：在所述发光二极管的外延片生长完成之后，持续向反应腔内通入N2和NH3的混合气体，并将所述反应腔的温度调节至退火温度，在所述退火温度下，对所述外延片进行一段时间的保温处理，通入所述反应腔内的N2与NH3的气体流量的气体流量分别为240L/min、113L/min，所述退火温度为760℃，退火处理过程中的压力为200torr，退火时间为3分30秒。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N2与所述NH3的气体流量的比值为

2:1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，通入所述反应腔内的N2的气体流量为

100L/min～250L/min，通入所述反应腔内的NH3的气体流量为10L/min～250L/min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述一段时间为1min～5min。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在对所述外延片进行退火处理时，所述反应腔内的压力为100torr～500torr。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述外延片的退火温度为700℃～800℃。

7.根据权利要求1～6任一项所述的制备方法，其特征在于，将所述反应腔内的温度调节至退火温度，包括：在持续向反应腔内通入N2和NH3的混合气体的过程中，将所述反应腔的温度从所述外延片的生长温度降低至所述退火温度。

8.一种发光二极管的外延片，其特征在于，所述外延片采用如权利要求1-6任一项所述的制备方法制造。

说明书

一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片

技术领域

[0001] 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的外延片的制备方法及外延片。

背景技术

[0002] LED(LightEmittingDiode，发光二极管)具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。

[0003] 现有的LED的外延片主要包括衬底和依次层叠在衬底上的n型GaN层、发光层和p型GaN层。在外延片生长完成之后，通常都会对外延片进行退火处理，以激活p型GaN层中的掺杂物，提高p型GaN层中的空穴浓度。

[0004] LED的外延片通常都是在N2作为保护气体的条件下进行退火，但外延片中的p型GaN层中的部分GaN会在退火的同时发生分解反应。而GaN的分解反应会导致p型GaN层中的Mg的析出，Mg的析出导致p型GaN层中的空穴浓度降低，进而降低能够进入外延片有源层中与电子复合的空穴数量，最终导致发光二极管的发光效率降低。

发明内容

[0005] 为了提高发光二极管的发光效率，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片。所述技术方案如下：

[0006] 一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：

[0007] 提供一衬底；

[0008] 在所述衬底上生长发光二极管的外延片；

[0009] 在所述发光二极管的外延片生长完成之后，在N2和NH3的混合气体中对所述外延片进行退火处理。

[0010] 可选地，所述在所述发光二极管的外延片生长完成之后，在N2和NH3的混合气体中对所述外延片进行退火处理，包括：

[0011] 在所述发光二极管的外延片生长完成之后，持续向反应腔内通入N2和NH3的混合气体，并将所述反应腔的温度调节至退火温度，在所述退火温度下，对所述外延片进行一段时间的保温处理，通入所述反应腔内的N2与NH3的气体流量的比值为1:0.1～1:1。

[0012] 可选地，所述N2与所述NH3的气体流量的比值为2:1。

[0013] 可选地，通入所述反应腔内的N2的气体流量为100L/min～250L/min，通入所述反应腔内的NH3的气体流量为10L/min～250L/min。

[0014] 可选地，所述一段时间为1min～5min。

[0015] 可选地，在对所述外延片进行退火处理时，所述反应腔内的压力为100torr～500torr。

[0016] 可选地，所述外延片的退火温度为700℃～800℃。

[0017] 可选地，将所述反应腔内的温度调节至退火温度，包括：

[0018] 在持续向反应腔内通入N2和NH3的混合气体的过程中，将所述反应腔的温度从所述外延片的生长温度降低至所述退火温度。

[0019] 一种发光二极管的外延片，所述外延片采用如上所述的制备方法制造。

[0020] 本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在外延片生长完成之后，对外延片进行退火处理，并且在外延片的退火处理是在N2和NH3的混合气体中进行的。退火处理过程中，NH3会抑制GaN在高温条件下的分解，并且进一步抑制p型GaN层中Mg的析出，达到提高p型GaN层中的空穴浓度，增加能够进入外延片的有源层与电子复合的空穴数量，最终提高发光二极管发光效率的目的。

附图说明

[0021] 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。

[0022] 图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；

[0023] 图2是一种发光二极管的外延片的结构示意图；

[0024] 图3是在传统的N2环境下和在本发明实施例中的N2和NH3混合气体环境下，采用相同的退火条件对外延片进行退火处理并制成发光二极管芯片后的发光亮度对比示意图；

[0025] 图4是在传统的N2环境下和在本发明实施例中的N2和NH3混合气体环境下，采用相同的退火条件对外延片进行退火处理并制成发光二极管芯片后的发光强度对比示意图。

具体实施方式

[0026] 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。

[0027] 图1是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图。如图1所示，制备方法包括：

[0028] S1：提供一衬底。

[0029] S2：在衬底上生长发光二极管的外延片。

[0030] S3：在发光二极管的外延片生长完成之后，在N2和NH3的混合气体中对外延片进行退火处理。

[0031] 在外延片生长完成之后，对外延片进行退火处理。并且在外延片的退火处理是在N2和NH3的混合气体中进行的。而退火处理过程中，NH3会抑制GaN在高温条件下的分解，并且进一步抑制p型GaN层中Mg的析出。最终达到提高p型GaN层中的空穴浓度，增加能够进入外延片的有源层与电子复合的空穴数量，最终提高发光二极管发光效率的目的。

[0032] 可选地，步骤S1中的衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底或者碳化硅衬底，本发明对此不做限制。

[0033] 图2是一种发光二极管的外延片的结构示意图，在本实施例中，以图2中的外延片的结构为例，对步骤S2进行说明。如图2所示，该外延片包括衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、n型GaN层4、n型掺杂的AlGaN层5、应力释放层6、多量子阱层7、电子阻挡层8和p型GaN层9。

[0034] 这种外延片结构较为简单，并且n型掺杂的AlGaN层可以释放n型GaN层生长过程中产生的应力，从而可以减弱发光层中的量子阱的极化效应，提高发光效率，降低LED的工作电压。

[0035] 可选地，n型掺杂的AlGaN层5的厚度为50～100nm。缓冲层2的厚度可以是15～35nm。将缓冲层的厚度设置为15～35nm能够保证后续生长的外延层的质量较好。非掺杂GaN层3的厚度可以是800～1200nm。以保证后续生长的外延层的质量。n型掺杂的GaN层4的厚度为1～3微米。

[0036] 如图2所示，应力释放层6包括交替层叠的InGaN层61和GaN层62。交替重叠设置的InGaN层61和GaN层62这种周期性结构，能够进一步起到减小外延片内部应力的作用，从而提高发光二极管的外延片的质量。

[0037] 如图2所示，多量子阱层7包括交替层叠的InGaN层71和GaN层72，InGaN层71的厚度可以是2～4nm，GaN层72的厚度可以是8～10nm。

[0038] 如图2所示，电子阻挡层8包括交替层叠的AlGaN层81和GaN层82。采用这种结构的电子阻挡层，能够阻挡电子移动的同时，也能够作为载流子的复合区，增大了空穴与电子复合的区域。增大了发光二极管的发光效率。

[0039] 可选地，电子阻挡层8的总厚度可以为20～60nm。将电子阻挡层限制在此范围内能够较好地起到阻挡电子移动至p型GaN层的同时又不会过分影响到空穴移动至多量子阱层。p型掺杂的GaN层9为厚度为80～200nm。

[0040] 相应地，步骤S2可包括：

[0041] 在衬底1上生长缓冲层2；在缓冲层2上生长非掺杂GaN层3；在非掺杂GaN层3上生长n型GaN层4；在n型GaN层4上生长n型掺杂的AlGaN层5；

[0042] 在n型掺杂的AlGaN层5上生长应力释放层6；在应力释放层6上生长多量子阱有源层7；在多量子阱有源层7上生长电子阻挡层8；在电子阻挡层8上生长p型GaN层9。

[0043] 需要说明的是，在本发明的其他实施例中，采用图1中所述的制备方法制作的外延片也可采用其他结构，包括有n型层、有源层以及p型层的外延片结构均可使用，本发明对此不做限制。

[0044] 可选地，在本实施例中，外延结构的生长过程中以三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，以上四种化合有良好的扩散效果，并且易分解留下所需元素。

[0045] 同时，本实施例中，以硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，这两种掺杂剂扩散效果较好。

[0046] 具体地，步骤S3可包括：

[0047] 在发光二极管的外延片生长完成之后，持续向反应腔内通入N2和NH3的混合气体，并将反应腔的温度调节至退火温度；在退火温度下，对外延片进行一段时间的保温处理(即退火时间)，通入反应腔内的N2与NH3的气体流量的比值为1:0.1～1:1。

[0048] 将通入反应腔内的N2与NH3的气体流量的比值设为1:0.1～1:1。N2与NH3的气体流量的比值保持在这一范围时能够较好地起到抑制p型GaN层中Mg的析出，提高进入外延片有源层与电子复合的空穴浓度，达到提高发光二极管发光效率的作用。

[0049] 可选地，在步骤S3中，外延片进行生长的反应腔与外延片进行退火处理的反应腔可在同一个腔室，便于对外延片直接进行退火处理。

[0050] 当外延片进行生长的反应腔与外延片进行退火处理的反应腔为同一个腔室时，将反应腔内的温度调节至退火温度，包括：

[0051] 在持续向反应腔内通入N2和NH3的混合气体的过程中，将反应腔的温度从外延片的生长温度降低至退火温度。

[0052] 在反应腔的温度由外延片的生长温度降低至退火温度的过程中便不断通入N2和NH3的混合气体，能够进一步抑制GaN在高温条件下的分解，保证p型GaN层内的空穴浓度，有利于提高发光二极管的发光效率。

[0053] 当外延片进行生长的反应腔与外延片进行退火处理的反应腔不在同一个腔室时，可将外延片进行退火处理的反应腔内的温度升高到退火温度，在外延片进行退火处理的反应腔内的温度升高到退火温度这一过程中，持续向外延片进行退火处理的反应腔内通入N2和NH3的混合气体。

[0054] 当N2与NH3的气体流量的比值为2:1时，能够最有效地提高发光二极管的发光效率。

[0055] 在本发明的多个实施例中，限定通入反应腔内的N2的气体流量为240L/min，由在这种气体氛围条件下退火处理的外延片制作得到的多个芯片，相对于传统的由在气体流量为240L/min的N2气体氛围下退火处理的外延片制作得到的芯片，其芯片发光亮度与PL强度均能够得到提高。

[0056] 并且当N2与NH3的气体流量的比值范围由1:0.1逐渐变化到1:0.5时，其芯片发光亮度会由提高0％逐渐增加到提高1％，其PL(英文：Photoluminescence，中文：光致发光)强度会由提高0％逐渐增加到提高10％。

[0057] 而当N2与NH3的气体流量的比值范围由1:0.5逐渐变化到1:1时，其芯片发光亮度会由提高1％逐渐减少到提高0％，其PL强度会由提高10％逐渐减少到提高0％。

[0058] 可选地，在本发明的其他实施例中，限定的通入反应腔内的N2的气体流量为50、100或者150L/min时，同样能够得到上述结果。

[0059] 由此可见，当N2与NH3的气体流量的比值为2:1时，相较于传统的仅通入一定流量的N2的条件下退火处理的外延片制作得到的芯片，能够最有效地提高发光二极管的发光效率。

[0060] 在本发明的多个实施例中，当其他退火条件相同，N2与NH3的气体流量的比值为2:1时，通入反应腔内的NH3的气体流量的具体数值越大越好。例如，N2气体流量可为250L/min，NH3的气体流量可为125L/min，在这种情况下退火处理得到的外延片制作的芯片，相较于N2气体流量为100L/min、NH3的气体流量为50L/min的条件下退火处理得到的外延片制作的芯片，芯片发光亮度与PL强度可分别提高0.5％与5％。

[0061] 可选地，通入反应腔内的N2的气体流量为100L/min～250L/min，通入反应腔内的NH3的气体流量为10L/min～250L/min。通入反应腔内的N2的气体流量设置在100L/min～250L/min的范围内、而NH3的气体流量为10L/min～250L/min时，起到的抑制GaN分解的效果较为明显。

[0062] 可选地，外延片进行保温处理的一段时间的长度为1min～5min，即退火时间为1min～5min。将退火时间设置为1min～5min能够有效激活p型GaN层中的掺杂物，保温处理的一段时间过短则p型GaN层中的掺杂物不一定被激活，保温的一段时间过长则会较为耗费成本。

[0063] 可选地，外延片在进行退火处理时，反应腔内的压力为100torr～500torr。在此压力下经过退火处理之后，外延片的质量较好。

[0064] 可选地，退火温度为700℃～800℃。在这个退火温度下进行退火处理之后的外延片，表面质量较好，出光效率也较高。

[0065] 为了证明本发明实施例的效果，在相同的退火条件下，在不同的气体环境(现有技术中的纯N2环境和本发明实施例的N2和NH3的混合气体环境)中，对图2所示结构的外延片进行退火处理，并对采用退火处理后的外延片制成的芯片的发光效果进行了对比，对比结果如图3和图4所示。此外，还对退火处理后的外延片的粗糙度进行对比，结果如表1所示。

[0066] 表1、图3及图4中所使用的外延片的生长及制备条件均相同。

[0067] 图3是在传统的N2环境下和在本发明实施例中的N2和NH3混合气体环境下，采用相同的退火条件对外延片进行退火处理并制成发光二极管芯片后的发光亮度对比示意图。图3中的纵坐标表示发光二极管的芯片的发光亮度数值，单位为mW。图3中的横坐标1-61表示在N2气体环境下退火条件下的外延片制作得到的芯片中任选的61颗的芯片亮度值。图3中的横坐标66-116表示在N2与NH3混合气体环境下退火条件下的外延片制作得到芯片中任选的61颗的芯片亮度值。

[0068] 外延片在N2气体环境下进行退火的退火条件为：

[0069] 退火温度为760℃，退火处理过程中的压力为200torr，退火时间为3分30秒，N2的气体流量为240L/min。

[0070] 外延片在N2与NH3的混合气体环境下进行退火的退火条件为：

[0071] 退火温度为760℃，退火处理过程中的压力为200torr，退火时间为3分30秒，N2气体流量为240L/min，NH3气体流量为113L/min。

[0072] 由图3可知，在外延片的退火处理过程中，在退火温度、退火处理过程中的压力以及退火时间、退火时通入的N2气体流量等退火条件相同的条件下，测量得到的向反应腔内通入NH3的芯片的发光亮度数值大量位于198.0mW～200.0mW这一范围内，而不向反应腔内通入NH3的芯片的发光亮度数值大量位于196.0mW～198.0mW这一范围内。

[0073] 芯片的外延片在进行退火处理时，反应腔内通入NH3的芯片的发光亮度普遍高于反应腔内不通入NH3的芯片的发光亮度。并且反应腔内通入NH3的芯片的发光亮度数值相对于反应腔内不通入NH3的芯片的发光亮度数值普遍提高了至少1％，大大提高了发光二极管的发光效率。

[0074] 图4是在传统的N2环境下和在本发明实施例中的N2和NH3混合气体环境下，采用相同的退火条件对外延片进行退火处理并制成发光二极管芯片后的发光强度对比示意图。图4中的纵坐标为发光二极管的芯片的发光强度数值，是采用PL(英文：Photoluminescence，中文：光致发光)测试仪器通过积分换算得到的，没有具体单位，数值越大表示强度越高，图
4中的横坐标1-61表示在N2气体环境下退火条件下的外延片制作得到的芯片中任选的61颗的芯片发光强度数值。图4中的横坐标66-116表示在N2与NH3混合气体环境下退火条件下的外延片制作得到芯片中任选的61颗的芯片发光强度数值。

[0075] 图4中发光二极管的外延片所使用的退火条件与图3中相同。

[0076] 由图4可知，在外延片的退火处理过程中，向反应腔内通入NH3的芯片的发光强度数值大量位于750.0～800.0这一范围内，而不向反应腔内通入NH3的芯片的发光强度数值大量位于650.0～750.0这一范围内。芯片的外延片在进行退火处理时，反应腔内通入NH3的芯片的发光强度普遍高于反应腔内不通入NH3的芯片的发光强度。并且反应腔内通入NH3的芯片的发光强度数值相对于反应腔内不通入NH3的芯片的发光强度数值普遍提高了至少1％，大大提高了发光二极管的发光效率。

[0077] 综上，在外延片进行退火处理过程中时，向反应腔内通入NH3能够提高发光二极管的发光效率。

[0078] 同时，由于向外延片的反应腔内通入的NH3抑制了GaN的分解反应，进而减小p型GaN层的内部缺陷，提高了p型GaN层的表面质量，避免p型GaN层的表面粗糙度过大导致芯片的表面发白。

[0079]

[0080] 表1

[0081] 表1中的序号1-2表示在N2气体环境下退火条件下的外延片的表面粗糙度的两次测试结果。表1中的序号3-4表示在N2与NH3混合气体环境下退火条件下的外延片的表面粗糙度的两次测试结果。测试结果均为外延片的p型GaN层的表面粗糙度。

[0082] 表1中的imageRq与imageRa分别表示p型GaN层的表面在两个不同的方向上的粗糙度，这两个不同的方向均平行于p型GaN层的表面，这两个不同的方向相互垂直。imageRq与imageRa在数值上的大小均对应表示其粗糙程度的大小。

[0083] 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。