一種發光二極體的外延片及其製備方法與流程
2023-06-21 05:38:36 2
本發明涉及光電子技術領域，特別涉及一種發光二極體的外延片及其製備方法。
背景技術：
發光二極體(英文：lightemittingdiode，簡稱：led)作為光電子產業中極具影響力的新產品，具有體積小、使用壽命長、顏色豐富多彩、能耗低等特點，廣泛應用於照明、顯示屏、信號燈、背光源、玩具等領域。led的核心結構是外延片，外延片的製作對led的光電特性有著較大的影響。
外延片通常包括緩衝層、u型gan層、n型gan層、發光層、電子阻擋層和p型gan層，在製作成led時，各層之間材料的存在差異，這使得各層之間的折射率也不同，由於折射率的不同，發光層發出的光可能會在發光層和電子阻擋層的界面上、電子阻擋層和p型gan層的界面上以及p型gan層和空氣的界面上發生全反射，導致光線反射回外延片內部，而反射回的光線需要經過多次反射才可能重新從外延片的表面射出，光線在多次反射的過程中會被吸收，反射次數越多則被吸收的越多，從而使得led的出光率下降，亮度降低。
為了提高發光二極體的出光率，通常會對電子阻擋層進行粗化處理，以使電子阻擋層的表面粗糙，減少全反射的發生，但是對電子阻擋層進行粗化不僅過程複雜，而且粗化後，容易出現電子阻擋層表面的顆粒過大、粗化不均勻等問題，從而導致發光二極體亮度不均勻。
技術實現要素：
為了解決對電子阻擋層進行粗化處理過程複雜，容易出現電子阻擋層表面的顆粒過大、粗化不均勻的問題，本發明實施例提供了一種發光二極體的外延片及其製備方法。所述技術方案如下：
一方面，本發明實施例提供了一種發光二極體的外延片，所述外延片包括襯底和依次層疊在所述襯底上的緩衝層、u型gan層、n型gan層、發光層、增透層、電子阻擋層和p型gan層，所述增透層包括層疊設置在所述發光層上的一層inn層和一層mg3n2層，或者所述增透層包括交替層疊設置的多層所述inn層和多層所述mg3n2層，且所述inn層和所述mg3n2層的層數相同。
優選地，當所述增透層包括交替層疊設置的多層所述inn層和多層所述mg3n2層時，所述inn層和所述mg3n2層交替層疊的周期數為8～10。
進一步地，當所述增透層包括交替層疊設置的多層所述inn層和多層所述mg3n2層時，所述增透層的厚度為32～60nm。
優選地，所述inn層的厚度為2～3nm。
優選地，所述mg3n2層的厚度為2～3nm。
另一方面，本發明實施例還提供了一種發光二極體的外延片的製備方法，所述製備方法包括：
提供一襯底；
在所述襯底上生長依次生長緩衝層、u型gan層、n型gan層、發光層、增透層、電子阻擋層和p型gan層，所述增透層包括層疊設置在所述發光層上的一層inn層和一層mg3n2層，或者所述增透層交替層疊設置的多層所述inn層和多層所述mg3n2層，且所述inn層和所述mg3n2層的層數相同。
進一步地，所述增透層的生長溫度為750℃～800℃。
優選地，所述增透層的生長壓力為300～400mbar。
可選地，當所述增透層包括交替層疊設置的多層所述inn層和多層所述mg3n2層時，所述增透層的厚度為32～60nm。
可選地，當所述增透層包括交替層疊設置的多層所述inn層和多層所述mg3n2層時，所述inn層和所述mg3n2層交替生長的周期數為8～10。
本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：通過將外延片設置為包括緩衝層、u型gan層、n型gan層、發光層、增透層、電子阻擋層和p型gan層的形式，其中增透層為層疊設置的一層inn層和一層mg3n2層或交替層疊設置的多層inn層和多層mg3n2層，使得從發光層發出的光會先進入到增透層中，再經過增透層和電子阻擋層的界面處進入到電子阻擋層，由於inn材料和mg3n2材料具有表面粗糙的特性，因此光線會在inn層和mg3n2層的界面處發生漫反射，通過漫反射可以將朝向一個方向的反射光向多個方向反射，減少光線在增透層和電子阻擋層的界面處發生全反射的光的比例，且被反射回外延片內部的光線，會在inn層和mg3n2層的界面處以漫反射的形式向遠離發光層的一側反射，避免光線被再次反射會外延片內部，從而減少光線在外延片內部反射的次數，減少了外延片對光的吸收，從而提高了出光率，同時不需要對電子阻擋層進行粗化處理，避免了對電子阻擋層進行粗化處理過程複雜，容易出現電子阻擋層表面的顆粒過大、粗化不均勻的問題。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例提供的一種發光二極體的外延片的結構示意圖；
圖2是本發明實施例提供的一種增透層的結構示意圖；
圖3是本發明實施例提供的一種發光二極體的外延片的製備方法的流程圖；
圖4是本發明實施例提供的另一種發光二極體的外延片的製備方法的流程圖；
圖5～圖11是本發明實施例提供的發光二極體的外延片製作過程中的結構示意圖；
圖12是一種現有led的外延片內光線傳播路徑示意圖；
圖13是本發明實施例提供的一種led的外延片內光線傳播路徑示意圖；
圖14是一種現有的led的結構示意圖；
圖15是一種採用本發明實施例中的外延片製備的led的結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
圖1是本發明實施例提供的一種發光二極體的外延片的結構示意圖，如圖1所示，外延片包括襯底10和依次層疊在襯底10上的緩衝層20、u型gan層30、n型gan層40、發光層50、增透層60、電子阻擋層70和p型gan層80，圖2是本發明實施例提供的一種增透層的結構示意圖，增透層60包括交替層疊設置的多層inn層61和多層mg3n2層62，且inn層61和mg3n2層62的層數相同。
在本實施例中，增透層60包括交替層疊設置的多層inn層61和多層mg3n2層62，以構成inn/mg3n2超晶格結構，在本發明的另一種實施例方式中，增透層60也可以只包括層疊設置在發光層50上的一層inn層61和一層mg3n2層62。
本發明實施例通過將外延片設置為包括緩衝層、u型gan層、n型gan層、發光層、增透層、電子阻擋層和p型gan層的形式，其中增透層為層疊設置的一層inn層和一層mg3n2層或交替層疊設置的多層inn層和多層mg3n2層，使得從發光層發出的光會先進入到增透層中，再經過增透層和電子阻擋層的界面處進入到電子阻擋層，由於inn材料和mg3n2材料具有表面粗糙的特性，因此光線會在inn層和mg3n2層的界面處發生漫反射，通過漫反射可以將朝向一個方向的反射光向多個方向反射，減少光線在增透層和電子阻擋層的界面處發生全反射的光的比例，且被反射回外延片內部的光線，會在inn層和mg3n2層的界面處以漫反射的形式向遠離發光層的一側反射，避免光線被再次反射會外延片內部，從而減少光線在外延片內部反射的次數，減少了外延片對光的吸收，從而提高了出光率，同時不需要對電子阻擋層進行粗化處理，避免了對電子阻擋層進行粗化處理過程複雜，容易出現電子阻擋層表面的顆粒過大、粗化不均勻的問題。
實現時，襯底10可以為藍寶石襯底。
優選地，增透層60包括交替層疊設置的多層inn層61和多層mg3n2層62，多層inn層61和多層mg3n2層62構成inn/mg3n2超晶格結構，可以具有多個inn層和mg3n2層的界面，多個界面都可以對光線進行反射。
進一步地，當增透層60包括交替層疊設置的多層inn層61和多層mg3n2層62時，增透層60的厚度可以為32～60nm。優選為45nm。若增透層60的厚度過大，會增厚外延片的總厚度，同時也會增加增透層60對光線的吸收量，若增透層60的厚度過小，則在每一個周期的厚度相同的情況下，周期數會減少。在增透層60的厚度相同的情況下，周期數越多，則光線在inn層和mg3n2層的界面處散射的次數越多，會使得發生全反射的光線比例越少，從而使出光率更高。
需要說明的是，圖2中僅示出了增透層60中的2個周期的結構，並不用以限制inn層和mg3n2層交替層疊的周期數。
可選地，當增透層60包括交替層疊設置的多層inn層61和多層mg3n2層62時，inn層61和mg3n2層62交替層疊的周期數可以為8～10。以使得光線在增透層60中進行多次的散射。
可選地，inn層61的厚度可以為2～3nm。
可選地，mg3n2層62的厚度為2～3nm。
在本發明的一種實現方式中，緩衝層20可以是gan緩衝層。
可選地，發光層50包括交替層疊設置的inxga(1-x)n層和gan層，其中0.2＜x＜0.25。
可選地，電子阻擋層70可以是p型algan電子阻擋層。
圖3是本發明實施例提供的一種發光二極體的外延片的製備方法的流程圖，如圖3所示，該製備方法包括：
s11：提供一襯底。
s12：在襯底上生長依次生長緩衝層、u型gan層、n型gan層、發光層、增透層、電子阻擋層和p型gan層。
其中，增透層包括層疊設置在發光層上的一層inn層和一層mg3n2層，或者增透層包括交替層疊設置的多層inn層和多層mg3n2層，且inn層和mg3n2層的層數相同。
本發明實施例通過將外延片設置為包括緩衝層、u型gan層、n型gan層、發光層、增透層、電子阻擋層和p型gan層的形式，其中增透層為層疊設置的一層inn層和一層mg3n2層或交替層疊設置的多層inn層和多層mg3n2層，使得從發光層發出的光會先進入到增透層中，再經過增透層和電子阻擋層的界面處進入到電子阻擋層，由於inn材料和mg3n2材料具有表面粗糙的特性，因此光線會在inn層和mg3n2層的界面處發生漫反射，通過漫反射可以將朝向一個方向的反射光向多個方向反射，減少光線在增透層和電子阻擋層的界面處發生全反射的光的比例，且被反射回外延片內部的光線，會在inn層和mg3n2層的界面處以漫反射的形式向遠離發光層的一側反射，避免光線被再次反射會外延片內部，從而減少光線在外延片內部反射的次數，減少了外延片對光的吸收，從而提高了出光率，同時不需要對電子阻擋層進行粗化處理，避免了對電子阻擋層進行粗化處理過程複雜，容易出現電子阻擋層表面的顆粒過大、粗化不均勻的問題。
圖4是本發明實施例提供的另一種發光二極體的外延片的製備方法的流程圖，下面結合附圖5～11對圖4提供的製備方法進行詳細說明：
s21：提供一襯底。
實現時，該襯底可以是藍寶石襯底，藍寶石襯底是一種常見的襯底，製備工藝較為成熟。
在步驟s21中，可以對藍寶石襯底進行預處理，將藍寶石襯底置於反應腔中，對藍寶石襯底進行退火處理8～10分鐘。
具體地，退火溫度可以為1000～1100℃，退火壓力可以為100～300mbar，進行退火處理時，向反應腔內以100l/min～130l/min的速度通入h2，以在氫氣氣氛下進行退火處理。
s22：在襯底上外延生長緩衝層。
如圖5所示，在襯底10上生長gan緩衝層20。
其中，gan緩衝層20的厚度可以為20nm～40nm，生長的gan緩衝層20的厚度不同，最終形成的外延層的質量也會不同，若gan緩衝層20的厚度過薄，則會導致gan緩衝層20的表面較為疏鬆和粗糙，不能為後續結構的生長提供一個好的模板，隨著gan緩衝層20厚度的增加，gan緩衝層20的表面逐漸變得較為緻密和平整，有利於後續結構的生長，但是若gan緩衝層20的厚度過厚，則會導致gan緩衝層20的表面過於緻密，同樣不利於後續結構的生長，無法減少外延層中的晶格缺陷。
具體地，生長gan緩衝層20時，控制nh3的流量為10000～20000sccm，三甲基鎵的流量為50～100sccm，h2的流量為100～130l/min。
gan緩衝層20的生長溫度可以為500～600℃，生長壓力可以為300～600mbar。
優選地，在步驟s22之後，還可以對gan緩衝層20進行處理，以使gan緩衝層20的表面形成不規則小島。
具體地，可以升高反應腔內的溫度到1000～1100℃，保持反應腔內的壓力為300～600mbar，控制nh3的流量為30000～40000sccm，h2的流量為100～130l/min，持續300～500秒，從而使得gan緩衝層20的表面形成不規則小島，避免gan緩衝層20的表面過於緻密。
s23：在緩衝層上生長u型gan層。
如圖6所示，在gan緩衝層20上生長u型gan層30。
實現時，u型gan層30的厚度可以為2μm～4μm，若u型gan層30的厚度過薄，會增加後續生長的結構中的位錯密度，u型gan層30的厚度過厚，會增大外延片的正向電阻。
具體地，生長u型gan層30時，控制nh3的流量為30000～40000sccm，三甲基鎵的流量為200～400sccm，h2的流量為100～130l/min。
u型gan層30的生長溫度可以為1000～1200℃，生長壓力可以為300～600mbar。
s24：在u型gan層上生長n型gan層。
如圖7所示，在u型gan層30上生長n型gan層40。
具體地，n型gan層40可以包括第一n型gan子層41和第二n型gan子層42。
步驟s24可以包括：
在u型gan層30上生長第一n型gan子層41。
其中，第一n型gan子層41的厚度可以為3～4μm。
進一步地，生長第一n型gan子層41時，控制nh3的流量為30000～60000sccm，三甲基鎵的流量為200～400sccm，h2的流量為100～130l/min，sih4的流量為20～50sccm。
第一n型gan子層41的生長溫度可以為1000～1200℃，生長壓力可以為300～600mbar。
可選地，第一n型gan子層41中的si摻雜濃度可以為5e18cm-3～1e19cm-3。
在第一n型gan子層41上生長第二n型gan子層42。
其中，第二n型gan子層42的厚度可以為200～400nm。
進一步地，生長第二n型gan子層42時，控制nh3的流量為30000～60000sccm，三甲基鎵的流量為200～400sccm，h2的流量為100～130l/min，sih4的流量為2～10sccm。
第二n型gan子層42的生長溫度可以為1000～1200℃，生長壓力可以為300～600mbar。
可選地，第二n型gan子層42中的si摻雜濃度可以為5e17cm-3～1e18cm-3。
s25：在n型gan層上生長發光層。
如圖8所示，在n型gan層40上生長發光層50。
實現時，發光層50可以包括交替層疊的inxga(1-x)n層51和gan層52，其中0.2＜x＜0.25。inxga(1-x)n層51和gan層52交替層疊的周期數可以為7～15。
需要說明的是，圖8中僅示出了發光層50中的部分結構，並不用於限制inxga(1-x)n層51和gan層52交替層疊的周期為2。
具體地，生長inxga(1-x)n層51時，控制nh3的流量為50000～70000sccm，三甲基鎵的流量為20～40sccm，三甲基銦的流量為1500～2000sccm，n2的流量為100～130l/min。
可選地，inxga(1-x)n層51的厚度可以為2.5～3.5nm。
inxga(1-x)n層51的生長溫度可以為700～750℃，生長壓力可以為300～400mbar。
具體地，生長gan層52時，控制nh3的流量為50000～70000sccm，三甲基鎵的流量為20～100sccm，n2的流量為100～130l/min。
可選地，gan層52的厚度可以為8～15nm。
gan層52的生長溫度可以為750～850℃，生長壓力可以為300～400mbar。
s26：在發光層上生長增透層。
如圖9所示，在發光層50上生長增透層60。
實現時，增透層60可以包括交替層疊設置的多層inn層61和多層mg3n2層62。inn層61和mg3n2層62交替生長的周期數可以為8～10，以使得光線在增透層60中進行多次的散射。
需要說明的是，圖9中僅示出了增透層60的部分結構，並不用以限制inn層61和mg3n2層62各只有1層。
具體地，生長inn層61時，控制nh3的流量為50000～70000sccm，三甲基鎵的流量為30～60sccm，三甲基銦的流量為100～130sccm，n2的流量為100～130l/min。
可選地，inn層61的厚度可以為2～3nm。
inn層61的生長溫度可以為750～800℃，生長壓力可以為300～400mbar。
具體地，生長mg3n2層62時，控制nh3的流量為50000～70000sccm，二茂鎂的流量為1000～1300sccm，n2的流量為100～130l/min。
可選地，mg3n2層62的厚度可以為2～3nm。
mg3n2層62的生長溫度可以為750～800℃，生長壓力可以為300～400mbar。
優選地，當增透層60包括交替層疊設置的多層inn層61和多層mg3n2層62時，增透層60的厚度可以為32～60nm。若增透層60的厚度過大，會增厚外延片的總厚度，同時也會增加增透層60對光線的吸收量，若增透層60的厚度過小，則在每一個周期的厚度相同的情況下，周期數會減少，從而減少了光線在inn層61和mg3n2層62的界面處散射的次數。
在本實施例中，增透層60包括交替層疊設置的多層inn層61和多層mg3n2層62，從而構成inn/mg3n2超晶格結構，在本發明實施例的另一種實現方式中，增透層60也可以只包括層疊設置的一層inn層和一層mg3n2層，以降低製備成本。
需要說明的是，在生長增透層60時，可以先生長inn層61也可以先生長mg3n2層62。
s27：在增透層上生長電子阻擋層。
如圖10所示，在增透層60上生長p型algan電子阻擋層70。
實現時，p型algan電子阻擋層70的厚度可以為50nm～100nm，若p型algan電子阻擋層70的厚度過薄，會降低對電子的阻擋能力，若p型algan電子阻擋層70的厚度過厚，則會增加p型algan電子阻擋層70會光的吸收，從而導致led的亮度降低。
具體地，生長p型algan電子阻擋層70時，控制nh3的流量為50000～70000sccm，三甲基鎵的流量為30～60sccm，h2的流量為100～130l/min，三甲基鋁的流量為100～130sccm，二茂鎂的流量為1000～1300sccm。
p型algan電子阻擋層70的生長溫度可以為900～950℃，生長壓力可以為200～400mbar。
可選地，p型algan電子阻擋層70中的mg摻雜濃度可以為1e19cm-3～1e20cm-3，al的濃度可以為1e20cm-3～3e20cm-3。
s28：在電子阻擋層上生長p型gan層。
如圖11所示，在電子阻擋層70上生長p型gan層80。
具體地，p型gan層80的厚度可以為50nm～200nm。
具體地，生長p型gan層80時，控制nh3的流量為50000～70000sccm，三甲基鎵的流量為20～100sccm，h2的流量為100～130l/min，二茂鎂的流量為1000～3000sccm。
p型gan層80的生長溫度可以為950～1000℃，生長壓力可以為400～900mbar。
可選地，p型gan層80中的mg摻雜濃度可以為1e19cm-3～1e20cm-3。
s29：將反應腔在650～680℃保溫20～30min，之後關閉加熱系統和給氣系統，待反應腔溫度降低至室溫。
之後可以對外延片進行後續製程，以製備led。
圖12是一種現有led的外延片內光線傳播路徑示意圖，如圖12所示，部分光線在外延片的表面141處發生全反射，反射回外延片的內部，並在電子阻擋層和p型gan層的界面142處再次發生反射，光線通過多次反射才會從外延片的表面141處射出。
圖13是本發明實施例提供的一種led的外延片內光線傳播路徑示意圖，如圖13所示，部分光線在外延片的表面151處發生全反射，反射回外延片的內部，並在電子阻擋層和增透層的界面152處發生漫反射，漫反射後的部分光線可以直接從外延片的表面151處射出，只有一小部分會再次反射回外延片內部，從而可以減少光線在外延片內部反射的次數。
需要說明的是，圖12和圖13中的小圓圈表示外延片內部的雜質原子，例如碳原子等，該雜質原子並非故意摻雜的原子，這種雜質原子也會對光線進行反射。
圖14是一種現有的led的結構示意圖，圖15是一種採用本發明實施例中的外延片製備的led的結構示意圖，兩種led中的歐姆接觸層120均為150nm的氧化銦錫層，且製備工藝相同，兩種led中的電極材料相同，均為cr/pt/au電極110，厚度均為1500nm，且製備工藝相同，兩種led中的保護層130均為100nm的sio2，兩種led的尺寸相同，均為25mil×25mil，且採用相同的切割工藝，在相同的封裝工藝下封裝成白光led，分別隨機抽取100顆，在350ma電流下進行測試，下表為測試結果的統計表。
由以上數據可知，採用本發明中的外延片製備的led，亮度從126.01lm/w提升到了135.31lm/w，有效提高了led的亮度。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。