发光二极管外延片及其制备方法、LED

摘要

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法、LED，所述发光二极管外延片包括衬底，所述衬底上依次设有复合层、GaN本征层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；所述复合层包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层、Al金属层、AlInGaN层和N极性GaN层。本发明提供的发光二极管外延片能够降低外延层位错密度，释放衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。

权利要求

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底，所述衬底上依次设有复合层、GaN本征层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；

所述复合层包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层、Al金属层、AlInGaN层和N极性GaN层；

所述Al金属层的厚度为10nm 100nm；

~

所述Al金属层为经NH3氮化处理的Al金属层，所述NH3氮化处理的温度为900℃~1100℃；

所述AlInGaN层的Al组分为0.1 0.5，In组分为0.05 0.2。

~ ~

2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述Si3N4网格层的厚度为10nm

100nm；

~

所述Si3N4网格层由Si3N4层经光刻刻蚀形成，其设有多个暴露所述衬底的网格；

2 2

所述网格的面积为1μm 100μm。

~

3.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlInGaN层的厚度为5nm~

50nm；

所述AlInGaN层的Al组分沿生长方向逐渐降低，In组分沿生长方向逐渐升高；

所述N极性GaN层的厚度为50nm 500nm。

~

4.一种如权利要求1 3任一项所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括~以下步骤：

S1、准备衬底；

S2、在所述衬底上依次沉积复合层、GaN本征层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；

所述复合层包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层、Al金属层、AlInGaN层和N极性GaN层。

5.如权利要求4所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述Si3N4网格层采用下述方法制得：将射频功率为15W~22W，压力控制在50torr~100torr，通过PECVD生长Si3N4层；

通过光刻刻蚀形成Si3N4网格层，所述Si3N4网格层上设有多个暴露所述衬底的网格。

6.如权利要求4所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述Al金属层采用下述方法制得：将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 300torr，生长Al金属层；

~ ~

然后对所述Al金属层进行900℃~1100℃的高温NH3氮化处理。

7.如权利要求4所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述AlInGaN层采用下述方法制得：将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 300torr，通入Al源、In源、Ga~ ~源、N源，生长AlInGaN层。

8.如权利要求4所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述N极性GaN层采用下述方法制得：将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 500torr，通入Ga源和N源，生~ ~长GaN层；

然后对所述GaN层进行900℃~1100℃的高温N2处理，得到N极性GaN层。

9.一种LED，其特征在于，所述LED包括如权利要求1 3任一项所述的发光二极管外延~片。

说明书

发光二极管外延片及其制备方法、LED

技术领域

[0001] 本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、LED。

背景技术

[0002] 继白炽灯和荧光灯之后，发光效率高、使用寿命长、能源消耗量低的第三代固体照明光源LED纷纷出现在人们的视野。具有优良光电性能的氮化镓（GaN）作为重要的宽禁带半导体材料，被广泛应用于LED等光电领域。

[0003] Si衬底由于具有低成本、大尺寸、热导率高、制造工艺成熟等优点，成为了实现高性能、大功率、低成本GaN基LED的理想衬底材料。尽管目前Si衬底上的LED制备技术已经取得许多突破，但在材料生长和基础研究等方面仍然存在难以克服的问题。

[0004] 在Si衬底上沉积GaN存在以下不足：第一，Si衬底与GaN之间的晶格失配和热失配分别高达16.9%和54%，导致在GaN中容易形成大量缺陷和裂纹；第二，GaN高温生长的过程中，Si原子沿着晶界扩散到GaN中而发生“回熔刻蚀”，大大降低了GaN外延薄膜的晶体质量。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管外延片，其降低外延层位错密度，释放衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。

[0006] 本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种发光二极管外延片的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得发光效率良好的发光二极管外延片。

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有复合层、GaN本征层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；

[0008] 所述复合层包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层、Al金属层、AlInGaN层和N极性GaN层。

[0009] 在一种实施方式中，所述Si3N4网格层的厚度为10nm~100nm；

[0010] 所述Si3N4网格层由Si3N4层经光刻刻蚀形成，其设有多个暴露所述衬底的网格；

[0011] 所述网格的面积为1μm2 100μm2。~

[0012] 在一种实施方式中，所述Al金属层的厚度为10nm 100nm；~

[0013] 所述Al金属层为经NH3氮化处理的Al金属层，所述NH3氮化处理的温度为900℃~1100℃。

[0014] 在一种实施方式中，所述AlInGaN层的厚度为5nm 50nm；~

[0015] 所述AlInGaN层的Al组分沿生长方向逐渐降低，In组分沿生长方向逐渐升高；

[0016] 所述AlInGaN层的Al组分为0.1 0.5，In组分为0.05 0.2；~ ~

[0017] 所述N极性GaN层的厚度为50nm 500nm。~

[0018] 为解决上述问题，本发明还提供了一种发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：

[0019] S1、准备衬底；

[0020] S2、在所述衬底上依次沉积复合层、GaN本征层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；

[0021] 所述复合层包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层、Al金属层、AlInGaN层和N极性GaN层。

[0022] 在一种实施方式中，所述Si3N4网格层采用下述方法制得：

[0023] 将射频功率为15W~22W，压力控制在50torr~100torr，通过PECVD生长Si3N4层；

[0024] 通过光刻刻蚀形成Si3N4网格层，所述Si3N4网格层上设有多个暴露所述衬底的网格。

[0025] 在一种实施方式中，所述Al金属层采用下述方法制得：

[0026] 将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 300torr，生长Al金属层；~ ~

[0027] 然后对所述Al金属层进行900℃~1100℃的高温NH3氮化处理。

[0028] 在一种实施方式中，所述AlInGaN层采用下述方法制得：

[0029] 将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 300torr，通入Al源、In~ ~源、Ga源、N源，生长AlInGaN层。

[0030] 在一种实施方式中，所述N极性GaN层采用下述方法制得：

[0031] 将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 500torr，通入Ga源和N~ ~源，生长GaN层；

[0032] 然后对所述GaN层进行900℃~1100℃的高温N2处理，得到N极性GaN层。

[0033] 相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的发光二极管外延片。

[0034] 实施本发明，具有如下有益效果：

[0035] 本发明提供的发光二极管外延片，其具有特定结构的复合层，所述复合层包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层、Al金属层、AlInGaN层和N极性GaN层。所述Si3N4网格层上设有多个暴露所述衬底的网格，使GaN薄膜只能在指定的图形区域生长，每个生长区域相互独立，从而避免了生长过程中热应力的积累，达到应力分离和防止薄膜开裂的目的。所述Al金属层为经NH3氮化处理的Al金属层，能够阻止NH3与Si衬底表面发生反应和“Ga回熔”，提高后续沉积GaN层的晶体质量，降低GaN外延层缺陷密度。所述AlInGaN层的晶格常数与GaN的晶格常数相近，以提高后续N极性GaN层的沉积晶体质量。所述N极性GaN层可以降低GaN的自身极化效应，为进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角，使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长，提高后续沉积非掺杂GaN层的晶体质量。在以上四个子层共同作用下，能够降低外延层位错密度，释放衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。

附图说明

[0036] 图1为本发明提供的发光二极管外延片的结构示意图；

[0037] 图2为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的流程图；

[0038] 图3为本发明提供的发光二极管外延片的制备方法的步骤S2的流程图。

具体实施方式

[0039] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述。

[0040] 除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：

[0041] 本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。

[0042] 本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。

[0043] 本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。

[0044] 为解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，如图1所示，包括衬底1，所述衬底1上依次设有复合层2、GaN本征层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型GaN层7；

[0045] 所述复合层2包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层21、Al金属层22、AlInGaN层23和N极性GaN层24。

[0046] 所述复合层2的四个子层的具体结构如下：

[0047] 在一种实施方式中，所述Si3N4网格层21的厚度为10nm~100nm；所述Si3N4网格层21的示例性厚度为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm，但不限于此；所述Si3N4网格层21由Si3N4层经光刻刻蚀形成，其设有多个暴露所述衬底的网格；在一种实施方式中，所述2 2 2 2
网格的面积为1μm~100μm 。优选地，所述网格的面积为10μm ~90μm 。所述Si3N4网格层设有多个特定尺寸的网格使沉积网格层GaN薄膜只能在指定的图形区域生长，每个生长区域相互独立，从而避免了生长过程中热应力的积累，达到应力分离和防止薄膜开裂的目的。

[0048] 在一种实施方式中，所述Al金属层22的厚度为10nm 100nm；所述Al金属层22的示~例性厚度为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm，但不限于此；所述Al金属层22为经NH3氮化处理的Al金属层，所述NH3氮化处理的温度为900℃~1100℃。所述Al金属层为经NH3氮化处理的Al金属层，能够阻止NH3与Si衬底表面发生反应和“Ga回熔”，提高后续沉积GaN层的晶体质量，降低GaN外延层缺陷密度。

[0049] 在一种实施方式中，所述AlInGaN层23的厚度为5nm 50nm；所述AlInGaN层23的示~例性厚度为10nm、20nm、30nm、40nm，但不限于此；所述AlInGaN层23的Al组分沿生长方向逐渐降低，In组分沿生长方向逐渐升高；所述AlInGaN层23的Al组分为0.1 0.5，In组分为0.05~
0.2。所述AlInGaN层23通过调控Al和In组分的比例及渐变，使得AlInGaN层的晶格常数与~
GaN的晶格常数相近，提高AlInGaN层和后续沉积的N极性GaN层的晶体质量。

[0050] 在一种实施方式中，所述N极性GaN层24的厚度为50nm 500nm；所述N极性GaN层24~的示例性厚度为100nm、200nm、300nm、400nm，但不限于此；所述N极性GaN层24由GaN层经900℃~1100℃的高温N2处理后得到。所述N极性GaN层可以降低GaN的自身极化效应，进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角，使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长，提高后续沉积非掺杂GaN层的晶体质量。

[0051] 综上，本发明提供的发光二极管外延片，其具有特定结构的复合层2，所述复合层2包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层21、Al金属层22、AlInGaN层23和N极性GaN层24。在以上四个子层共同作用下，能够降低外延层位错密度，释放衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。

[0052] 相应地，本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：

[0053] S1、准备衬底1；

[0054] 在一种实施方式中，所述衬底可选用蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种。

[0055] 优选地，衬底选用硅衬底，硅衬底尺寸大、价格便宜，可以降低外延生长成本。对比硬度大、导热导电性质差的蓝宝石衬底有较大优势，而且简化衬底减薄加工工艺，降低成本。

[0056] S2、在所述衬底1上依次沉积复合层2、GaN本征层3、N型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、P型GaN层7；

[0057] 如图3所示，步骤S2包括以下步骤：

[0058] S21、在衬底1上沉积复合层2。

[0059] 在一种实施方式中，所述Si3N4网格层采用下述方法制得：

[0060] 将射频功率为15W~22W，压力控制在50torr~100torr，通过PECVD生长Si3N4层；

[0061] 通过光刻刻蚀形成Si3N4网格层，所述Si3N4网格层上设有多个暴露所述衬底的网格。

[0062] 在一种实施方式中，所述Al金属层采用下述方法制得：

[0063] 将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 300torr，生长Al金属层；~ ~

[0064] 然后对所述Al金属层进行900℃~1100℃的高温NH3氮化处理。

[0065] 在一种实施方式中，所述AlInGaN层采用下述方法制得：

[0066] 将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 300torr，通入Al源、In~ ~源、Ga源、N源，生长AlInGaN层。

[0067] 在一种实施方式中，所述N极性GaN层采用下述方法制得：

[0068] 将反应室温度控制在800℃ 1000℃，压力控制在50torr 500torr，通入Ga源和N~ ~源，生长GaN层；

[0069] 然后对所述GaN层进行900℃~1100℃的高温N2处理，得到N极性GaN层。

[0070] S22、在复合层2上沉积GaN本征层3。

[0071] 在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1050℃ 1200℃，压力控制为100torr~ ~600torr，通入N源、Ga源，生长厚度为2μm 3μm的GaN本征层。
~

[0072] 优选地，控制生长温度为1100℃，生长压力为150torr，生长厚度为2.5μm，GaN本征层生长温度较高，压力较低，制备的到GaN的晶体质量较优，同时厚度随着GaN厚度的增加，压应力会通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电降低，但提高GaN层厚度对Ga源材料消耗较大，大大提高了LED的外延成本，因此GaN本征层生长厚度为2μm 3μm，不~仅节约生产成本，而且GaN材料又具有较高的晶体质量。

[0073] S23、在GaN本征层3上沉积N型GaN层4。

[0074] 在一种实施方式中，将反应室的温度控制在1050℃ 1200℃，压力控制为100torr~ ~600torr，通入N源、Ga源，通SiH4提供N型掺杂，生长厚度为2μm~3μm的N型GaN层。优选地，所
19 3 19 3
述Si掺杂浓度为1×10 atoms/cm 5×10 atoms/cm。
~

[0075] S24、在N型GaN层4上沉积多量子阱层5。

[0076] 在一种实施方式中，所述多量子阱层包括多个交替层叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，上述多量子阱层的制备方法如下：

[0077] 将反应室温度控制在790℃ 810℃，通入N源、In源、Ga源，控制所沉积的InGaN量子~阱层单层厚度为2nm 5nm；
~

[0078] 将反应室温度控制在800℃ 900℃，通入N源、Al源、Ga源，控制所沉积的AlGaN量子~垒层单层厚度为5nm 15nm；
~

[0079] 交替层叠所述InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，完成多量子阱层的沉积，交替层叠周期数为6 12。所述多量子阱层为电子和空穴复合的区域，合理的结构设计可以显著增~加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高LED器件发光效率。

[0080] S25、在多量子阱层5上沉积电子阻挡层6。

[0081] 在一种实施方式中，将反应室的温度控制在900℃ 1000℃，通入N源、Ga源、Al源、~In源，生长AlInGaN层作为电子阻挡层。优选地，Al组分为0.005 0.1，In组分为0.01 0.2。所~ ~
述AlInGaN层既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。

[0082] S26、在电子阻挡层6上沉积P型GaN层7。

[0083] 在一种实施方式中，将反应室的温度控制在900℃ 1050℃，通入N源、Ga源，通入~CP2Mg作为P型掺杂剂，生长P型GaN层，并控制所沉积P型GaN层厚度为10nm~50nm，Mg掺杂浓
19 3 21 3
度为1×10 atoms/cm 1×10 atoms/cm。
~

[0084] 相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的发光二极管外延片。所述LED的光电效率得到有效提升，且其他项电学性能良好。

[0085] 下面以具体实施例进一步说明本发明：

[0086] 实施例1

[0087] 本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有复合层、GaN本征层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层；

[0088] 所述复合层包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层、Al金属层、AlInGaN层和N极性GaN层。

[0089] 所述Si3N4网格层的厚度为45nm，网格的面积为40μm2；

[0090] Al金属层的厚度为65nm；

[0091] 所述AlInGaN层的厚度为35nm，Al组分沿生长方向由0.5降至0.1，In组分沿生长方向由0.05升至0.2；

[0092] 所述N极性GaN层的厚度为200nm。

[0093] 实施例2

[0094] 本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述Si3N4网格层2
的厚度为60nm，网格的面积为50μm；其它与实施例1相同。

[0095] 实施例3

[0096] 本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述Si3N4网格层2
的厚度为35nm，网格的面积为25μm；其它与实施例1相同。

[0097] 实施例4

[0098] 本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：Al金属层的厚度为50nm；所述AlInGaN层的厚度为25nm；其它与实施例1相同。

[0099] 实施例5

[0100] 本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：Al金属层的厚度为35nm；所述AlInGaN层的厚度为30nm；其它与实施例1相同。

[0101] 实施例6

[0102] 本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：Al组分沿生长方向由0.4降至0.1，In组分沿生长方向由0.05升至0.15；其它与实施例1相同。

[0103] 实施例7

[0104] 本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：Al组分沿生长方向由0.5降至0.2，In组分沿生长方向由0.1升至0.2；其它与实施例1相同。

[0105] 实施例8

[0106] 本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述N极性GaN层的厚度为250nm；其它与实施例1相同。

[0107] 实施例9

[0108] 本实施例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：所述N极性GaN层的厚度为150nm；其它与实施例1相同。

[0109] 对比例1

[0110] 本对比例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有GaN本征层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层。

[0111] 以实施例1 实施例9和对比例1制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制~备成10mil×24mil芯片，分别抽取300颗LED芯片，在120mA/60mA电流下测试，测试各实施例相对于对比例1的光电效率提升率，具体测试结果如表1所示。

[0112] 表1实施例1 实施例9制得LED的性能测试结果~

[0113]

[0114] 由上述结果可知，本发明提供的发光二极管外延片，其具有特定结构的复合层，所述复合层包括依次层叠在衬底上的Si3N4网格层、Al金属层、AlInGaN层和N极性GaN层。所述Si3N4网格层上设有多个暴露所述衬底的网格，使GaN薄膜只能在指定的图形区域生长，每个生长区域相互独立，从而避免了生长过程中热应力的积累，达到应力分离和防止薄膜开裂的目的。所述Al金属层为经NH3氮化处理的Al金属层，能够阻止NH3与Si衬底表面发生反应和“Ga回熔”，提高后续沉积GaN层的晶体质量，降低GaN外延层缺陷密度。所述AlInGaN层的晶格常数与GaN的晶格常数相近，以提高后续N极性GaN层的沉积晶体质量。所述N极性GaN层可以降低GaN的自身极化效应，为进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角，使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长，提高后续沉积非掺杂GaN层的晶体质量。在以上四个子层共同作用下，能够降低外延层位错密度，释放衬底与GaN外延层的应力，提高GaN外延层晶体质量，降低缺陷导致非辐射复合，提升发光二极管的发光效率。

[0115] 以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。