CN109638116A - 一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片 - Google Patents
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Abstract
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，属于发光二极管制造领域。在衬底上的缓冲层上分别生长同轴的N型GaN层与P型GaN层，N型GaN层的轴线垂直衬底生长缓冲层的表面且P型GaN层与N型GaN层之间形成发光间隙；向发光间隙内注入钙钛矿的前驱体溶液后加热使发光间隙内的前驱体溶液完全结晶，N型GaN层提供的电子与P型GaN层提供的空穴在完全结晶的钙钛矿中复合发光。在钙钛矿的形成过程中，钙钛矿通过完全结晶形成，而非通过MOCVD设备进行生长，钙钛矿中各处的生长情况均较为均匀，不存在外延片内温度不均造成的发光不均匀问题，可较大程度地提高发光二极管的发光均匀度。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管制造领域，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
发光二极管是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管，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。外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及生长在衬底上的外延层，外延层包括依次生长在衬底上的缓冲层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P型GaN层。
而外延片在制备时通常会使用金属有机化合物化学气相沉积(英文：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备进行生长，MOCVD设备内有转盘，转盘上设置有用于放置衬底的圆形凹槽，在制备外延片时，衬底放置在圆形凹槽内，通过衬底与圆形凹槽之间的接触MOCVD设备将热量传递至衬底上，而由于衬底上不同位置与圆形凹槽之间的接触面积不同，导致衬底上不同位置上的温度不同，进而使得在衬底上生长的外延层不同部位的热应力不同，不同的热应力在外延层上不同的位置产生不同的应变，最终导致外延层的表面出现翘曲情况，影响发光二极管的发光均匀度。
发明内容
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，能够提高发光二极管的发光均匀度。所述技术方案如下：
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，所述制备方法包括：
提供一衬底；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上形成圆柱形的N型GaN层，所述N型GaN层的轴线垂直于所述衬底生长所述缓冲层的表面；
在所述缓冲层上形成圆筒形的P型GaN层，所述P型GaN层同轴套设在所述N型GaN层外，且所述P型GaN层与所述N型GaN层之间形成发光间隙；
在衬底温度为20～30℃时向所述发光间隙内注入钙钛矿的前驱体溶液；
对所述外延片进行加热直至所述钙钛矿的前驱体溶液完全结晶。
可选地，所述P型GaN层的内径与所述N型GaN层的直径之差为10～30纳米。
可选地，所述N型GaN层的直径为4～8微米。
可选地，所述N型GaN层的高度为1～5微米。
可选地，所述在所述缓冲层上生长N型GaN层包括：
在所述缓冲层上覆盖一层掩模板，所述掩模板上具有一个圆形孔；
在所述一个圆形孔内生长所述N型GaN层。
可选地，所述P型GaN层的外径与内径之差为20～100纳米。
可选地，所述P型GaN层的内径为4～10微米。
可选地，所述P型GaN层的高度与所述N型GaN层的高度相等。
可选地，所述P型GaN层的高度为1～5微米。
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片采用如前所述方法制备，所述外延片包括衬底、缓冲层、N型GaN层、钙钛矿层及P型GaN层，所述缓冲层层叠在所述衬底上，所述N型GaN层为圆柱形，所述钙钛矿层与所述P型GaN层均为圆筒状，所述N型GaN层、所述钙钛矿层与所述P型GaN层同轴设置在所述缓冲层上，所述N型GaN层的轴线垂直于所述衬底层叠所述缓冲层的表面，
所述N型GaN层的直径与所述钙钛矿层的内径相等，所述钙钛矿层的外径与所述P型GaN层的内径相等。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在衬底上生长缓冲层之后，在缓冲层上分别生长同轴的N型GaN层与P型GaN层，N型GaN层的轴线垂直衬底生长缓冲层的表面且P型GaN层与N型GaN层之间形成发光间隙；向发光间隙内注入钙钛矿的前驱体溶液后加热使发光间隙内的前驱体溶液完全结晶，N型GaN层提供的电子与P型GaN层提供的空穴在完全结晶的钙钛矿中复合发光。由于在钙钛矿的形成过程中，钙钛矿通过完全结晶形成，而非通过MOCVD设备进行生长，发光间隙内的钙钛矿的生长情况一致，也不存在由温度不均匀引起的翘曲问题，可较大程度地提高发光二极管的发光均匀度。
附图说明
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。
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；
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的俯视图；
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；
图5是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图。
具体实施方式
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。
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所述，该制备方法包括：
S101：提供一衬底。
S102：在衬底上生长缓冲层。
S103：在缓冲层上形成圆柱形的N型GaN层，N型GaN层的轴线垂直于衬底生长缓冲层的表面。
S104：在缓冲层上形成圆筒形的P型GaN层，P型GaN层同轴套设在N型GaN层外，且P型GaN层与N型GaN层之间形成发光间隙。
S105：在衬底温度为20～30℃时向发光间隙内注入钙钛矿的前驱体溶液。
S106：对外延片进行加热直至钙钛矿的前驱体溶液完全结晶。
在衬底上生长缓冲层之后，在缓冲层上分别生长同轴的N型GaN层与P型GaN层，N型GaN层的轴线垂直衬底生长缓冲层的表面且P型GaN层与N型GaN层之间形成发光间隙；向发光间隙内注入钙钛矿的前驱体溶液后加热使发光间隙内的前驱体溶液完全结晶，N型GaN层提供的电子与P型GaN层提供的空穴在完全结晶的钙钛矿中复合发光。由于在钙钛矿的形成过程中，钙钛矿通过完全结晶形成，而非通过MOCVD设备进行生长，发光间隙内的钙钛矿的生长情况均较为均匀，也不存在由温度不均匀引起的翘曲问题，可较大程度地提高发光二极管的发光均匀度。
而由于发光间隙内的钙钛矿采用结晶方式生长，缓冲层内存在的晶体缺陷也不会对钙钛矿造成影响，相对原有的外延生长方式也可提高钙钛矿的质量。
且这种结构中，由于钙钛矿完全结晶后的形状为圆环形，也能够提高外延片的发光面积，有利于提高发光二极管的发光效率。
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的结构示意图，图3是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的俯视图，结合图2与图3，外延片包括衬底1、缓冲层2、N型GaN层3、钙钛矿层4、P型GaN层5，缓冲层2层叠在衬底1上，
N型GaN层3为圆柱形，钙钛矿层4与P型GaN层5均为圆筒状，N型GaN层3、钙钛矿层4与P型GaN层5同轴设置在缓冲层上，N型GaN层3的轴线垂直于衬底层叠缓冲层的表面，
N型GaN层3的直径与钙钛矿层4的内径相等，钙钛矿层4的外径与P型GaN层5的内径相等。
其中，钙钛矿层4可以为CH3NH3PbI3钙钛矿层，也可以为其它带隙合适的钙钛矿材料。本发明对此不做限制。
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图4所述，该制备方法包括：
S201：提供一衬底。
其中，衬底可采用蓝宝石衬底。材质较为便宜，易获取。
示例性地，在衬底上生长外延薄膜之前，可将衬底在氢气气氛中退火处理8min，清洁衬底表面，衬底的退火温度为1000～1200℃。
进一步地，在对衬底的表面进行清理之后，可对衬底进行氮化处理，在衬底上生长一层AlN层，减小后续生长的外延结构与衬底之间的晶格失配。
S202：在衬底上生长缓冲层。
可选地，步骤S202可包括：在衬底上依次生长GaN成核层及未掺杂GaN层。依次生长GaN成核层与未掺杂GaN层可大幅度减小衬底与N型GaN层之间的晶格失配，有利于提高发光二极管的发光质量。
其中，GaN成核层的生长温度可为400～600℃，GaN成核层的生长压力可为400～600Torr。在此条件下生长得到的GaN成核层的质量较好。
GaN成核层的生长厚度可为15～35nm。GaN成核层的生长厚度在此范围内，可有效减小衬底与N型GaN层之间的晶格失配，有利于提高发光二极管的发光质量。
进一步地，在GaN成核层生长完之后，可对GaN成核层进行原位退火处理，退火温度为1000～1200℃，退火时间为5～10min，退火压力为400～600Torr。在此条件下可使得GaN成核层中的应力减小，减小GaN成核层中的缺陷，保证GaN成核层的质量进而保证在GaN成核层上生长的未掺杂GaN层的质量。
可选地，未掺杂GaN层的生长温度可为1000～1100℃，未掺杂GaN层的生长压力可为100～500Torr。在此条件下生长得到的未掺杂GaN层的质量较好。
未掺杂GaN层的生长厚度可为1～5微米。未掺杂GaN层的生长厚度在此范围内，可有效减小衬底与N型GaN层之间的晶格失配，有利于提高发光二极管的发光质量。
S203：在缓冲层上生长圆柱形的N型GaN层，N型GaN层的轴线垂直于衬底生长缓冲层的表面。
其中，步骤S203可包括：
在缓冲层上覆盖一层掩模板，掩模板上具有一个圆形孔。
在一个圆形孔内生长N型GaN层。采用这种结构能够生长得到外壁质量较好的N型GaN层，有利于保证N型GaN层与P型GaN层之间形成的钙钛矿的结晶质量，保证发光二极管的发光效率。
也可在缓冲层上涂覆一层光刻胶，对缓冲层上的光刻胶进行曝光显影之后，在光刻胶上形成圆形孔，继而在缓冲层上生长N型GaN层，N型GaN层生长完毕之后，再去除缓冲层上的光刻胶。本发明对此不做限制。
可选地，N型GaN层在生长时，生长高度可与圆形孔的高度持平。使得N型GaN层的外壁较为平整，有利于提高在N型GaN层与P型GaN层之间最终结晶的钙钛矿的结晶质量。
示例性地，N型GaN层的直径可为4～8微米。N型GaN层的直径设置在此范围内时，可保证N型GaN层提供充足的电子，保证发光二极管的发光效率。
可选地，N型GaN层的高度为1～5微米。N型GaN层的直径设置在此范围内时，可进一步保证N型GaN层提供充足的电子，保证发光二极管的发光效率。
需要说明的是，N型GaN层的生长依然可使用MOVCD设备进行生长，N型GaN层的生长温度可为850～1080℃，N型GaN层的生长压力可为100～300Torr，在这种条件下生长得到的N型GaN层的质量较好。
S204：在缓冲层上形成圆筒形的P型GaN层，P型GaN层同轴套设在N型GaN层外，且P型GaN层与N型GaN层之间形成发光间隙。
可选地，可在N型GaN层以及缓冲层上涂覆光刻胶，对光刻胶进行光刻显影后在光刻胶上形成圆筒状的孔，在圆筒状的孔内生长与N型GaN层同轴的P型GaN层，P型GaN层生长完成之后，去除光刻胶。这种设置可便于P型GaN层的生长。
示例性地，P型GaN层的内径与N型GaN层的直径之差可为10～30纳米。P型GaN层的内径与N型GaN层的直径之差在以上范围时，可保证在N型GaN层与P形GaN层之间形成体积足够大的钙钛矿，可进而保证N型GaN层提供的电子与P型GaN层提供的空穴在钙钛矿内有足够的复合空间。
可选地，P型GaN层的外径与内径之差可为20～100纳米。这种设置可保证P型GaN层能够提供足够的空穴，有利于保证发光二极管的发光效率。
示例性地，P型GaN层的内径可为4～10微米。P型GaN层的内径设置在此范围内可保证外延片适用于大部分规格的衬底。
可选地，P型GaN层的高度与N型GaN层的高度相等。这种设置可便于后续发光二极管的制备。
示例性地，P型GaN层的高度可为1～5微米。这种设置可保证P型GaN层提供足够的空穴的条件下可减小外延片制作所需成本。
需要说明的是，P型GaN层的生长依然可使用MOVCD设备进行生长，P型GaN层的生长温度可为850～1080℃，P型GaN层的生长压力可为100～300Torr，在这种条件下生长得到的P型GaN层的质量较好。
S205：在所述缓冲层上生长圆筒状的P型接触层，P型接触层同轴套设在P型GaN层上，P型接触层的内壁与P型GaN层的外壁之间的距离为零。
可选地，P型接触层的高度可与P型GaN层的高度相同，便于后续发光二极管的制作。
示例性地，P型接触层的外径与内径之差可为20～100nm。这种设置便于后续发光二极管的制作。
可选地，在制作P型接触层时，可采用与P型GaN层相似的方法进行生长。
S206：在衬底温度为20～30℃时向发光间隙内注入钙钛矿的前驱体溶液。
S207：对外延片进行加热直至钙钛矿的前驱体溶液完全结晶。
执行完步骤S207之后的外延片的结构可如图5所述，图5是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图，图5中的外延片包括衬底1、缓冲层2、N型GaN层3、钙钛矿层4、P型GaN层5及P型接触层6，缓冲层2层叠在衬底1上，N型GaN层3为圆柱形，钙钛矿层4、P型GaN层5及P型接触层6均为圆筒形，N型GaN层3、钙钛矿层4、P型GaN层5及P型接触层6依次同轴设置在缓冲层2上，N型GaN层3的轴线垂直于衬底1层叠缓冲层2的表面，钙钛矿层4的内径与N型GaN层3的直径相等，P型GaN层5的内径与钙钛矿层4的外径相等，P型接触层6的内径与P型GaN层5的外径相等，缓冲层2可包括依次生长的GaN成核层21与未掺杂GaN层22。
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。
Claims (10)
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；
在所述衬底上生长缓冲层；
在所述缓冲层上形成圆柱形的N型GaN层，所述N型GaN层的轴线垂直于所述衬底生长所述缓冲层的表面；
在所述缓冲层上形成圆筒形的P型GaN层，所述P型GaN层同轴套设在所述N型GaN层外，且所述P型GaN层与所述N型GaN层之间形成发光间隙；
在衬底温度为20～30℃时向所述发光间隙内注入钙钛矿的前驱体溶液；
对所述外延片进行加热直至所述钙钛矿的前驱体溶液完全结晶。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述P型GaN层的内径与所述N型GaN层的直径之差为10～30纳米。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N型GaN层的直径为4～8微米。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述缓冲层上生长N型GaN层包括：
在所述缓冲层上覆盖一层掩模板，所述掩模板上具有一个圆形孔；
在所述圆形孔内的缓冲层上生长所述N型GaN层。
5.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述N型GaN层的高度为1～5微米。
6.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述P型GaN层的外径与所述P型GaN层的内径之差为20～100纳米。
7.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述P型GaN层的内径为4～10微米。
8.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述P型GaN层的高度与所述N型GaN层的高度相等。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述P型GaN层的高度为1～5微米。
10.一种发光二极管的外延片，其特征在于，所述外延片包括衬底、缓冲层、N型GaN层、钙钛矿层及P型GaN层，所述缓冲层层叠在所述衬底上，所述N型GaN层为圆柱形，所述钙钛矿层与所述P型GaN层均为圆筒状，所述N型GaN层、所述钙钛矿层与所述P型GaN层同轴设置在所述缓冲层上，所述N型GaN层的轴线垂直于所述衬底层叠所述缓冲层的表面，
所述N型GaN层的直径与所述钙钛矿层的内径相等，所述钙钛矿层的外径与所述P型GaN层的内径相等。
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