CN109768132A - 一种发光二极管的外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管的外延片及其制备方法，属于发光二极管制造领域。在石墨烯层上层叠InGaN量子点层，InGaN量子点层中的多个InGaN量子点结构的表面势能点较低且化学活性较高，可作为未掺杂GaN层的成核点，未掺杂GaN层更容易在InGaN量子点结构上生长，保证未掺杂GaN层可先在石墨烯层上均匀地形成多个岛状结构，多个岛状结构与多个InGaN量子点结构一一对应；继续未掺杂GaN层时，各岛状结构之间的距离不会过大，岛状结构上原子的移动扩散较少，主要通过吸引更多的Ga原子与N原子来继续生长，因此减少了岛状结构上的原子在移动扩散过程中出现的晶格畸变与缺陷，提高了未掺杂GaN层的晶体质量。

Description

一种发光二极管的外延片及其制备方法

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及其制备方法。

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依次生长在衬底上的石墨烯层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层。

石墨烯层是由碳原子紧密排列的二维蜂窝状晶体薄膜，这种特殊的层状结构使得石墨烯层与氮化镓之间只存在分子间范德华力，因而容易剥离和转移石墨烯层上的GaN成核层等结构并进行后续发光二极管的制备。

但由于石墨烯层本身表面能与表面化学活性均较低，未掺杂GaN层在石墨烯层上生长时，能够在石墨烯层背离衬底的表面上形成的成核点非常稀少，Ga原子与N原子容易集中在部分成核点处形成体积过大的团簇，各个团簇上的原子会在后续未掺杂GaN层的生长过程中进行移动扩散，一方面移动扩散的过程中会出现较多的晶格畸变与缺陷，另一方面各团簇最终也会合并相连，团簇体积的参差不齐也使得团簇之间合并处的晶界缺陷较大，更容易形成大角度晶界，均会影响最终得到的未掺杂GaN层的质量，导致最终得到的发光二极管的整体晶体质量较差。

发明内容

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片及其制备方法，能够提高发光二极管的晶体质量。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，所述外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的石墨烯层、InGaN量子点层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，其中，所述InGaN量子点层包括多个均布在所述石墨烯层上的InGaN量子点结构，所述InGaN量子点结构为所述未掺杂GaN层的成核点。

可选地，所述InGaN量子点层的厚度为1～10nm。

可选地，所述石墨烯层的厚度为1～100nm。

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，所述方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长石墨烯层；

在反应腔的温度为700～800℃时，向反应腔内通入NH₃、100～2000sccm的In源与Ga源，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层，所述InGaN量子点层包括多个均布在所述石墨烯层上的InGaN量子点结构；

向所述反应腔内通入NH₃与Ga源，以所述InGaN量子点结构为成核点，生长未掺杂GaN层；

在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；

在所述N型GaN层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长P型GaN层。

可选地，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层时，向反应腔内通入100～2000sccm的In源。

可选地，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层时，向反应腔内通入100～1000sccm的Ga源。

可选地，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层时，向反应腔内通入1000～40000sccm的NH₃。

可选地，所述InGaN量子点层的生长时间为1～10min。

可选地，所述未掺杂GaN层的生长时间为1～20min。

可选地，所述石墨烯的生长温度为1000～1500℃。

可选地，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层时，使用氢气与氮气作为载气向反应腔内通入NH₃、In源与Ga源。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在石墨烯层上层叠InGaN量子点层，InGaN量子点层中的多个InGaN量子点结构的表面势能点较低且化学活性较高，可作为未掺杂GaN层的成核点，未掺杂GaN层更容易在InGaN量子点结构上生长，保证未掺杂GaN层可先在石墨烯层上均匀地形成多个岛状结构，多个岛状结构与多个InGaN量子点结构一一对应；继续未掺杂GaN层时，各岛状结构之间的距离不会过大，岛状结构上原子的移动扩散较少，主要通过吸引更多的Ga原子与N原子来继续生长，因此减少了岛状结构上的原子在移动扩散过程中出现的晶格畸变与缺陷，提高了未掺杂GaN层的晶体质量。并且多个岛状结构对应在均布的InGaN量子点结构上生长，也使得多个岛状结构的生长体积相差较小，多个岛状结构在合并时晶界处的缺陷较小，未掺杂GaN层的晶体质量得到提高。

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结构示意图；

图2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3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。

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结构示意图，如图1所示，该外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的石墨烯层2、InGaN量子点层3、未掺杂GaN层4、N型GaN层5、多量子阱层6及P型GaN层7。其中，InGaN量子点层3包括多个均布在石墨烯层2上的InGaN量子点结构31，InGaN量子点结构31为未掺杂GaN层4的成核点。

在石墨烯层2上层叠InGaN量子点层3，InGaN量子点层3中的多个InGaN量子点结构31的表面势能点较低且化学活性较高，可作为未掺杂GaN层4的成核点，未掺杂GaN层4更容易在InGaN量子点结构31上生长，保证未掺杂GaN层4可先在石墨烯层2上均匀地形成多个岛状结构，多个岛状结构与多个InGaN量子点结构31一一对应；继续未掺杂GaN层4时，岛状结构上的原子的移动扩散较少，主要通过吸引更多的Ga原子与N原子来继续生长，因此减少了岛状结构在移动扩散过程中出现的晶格畸变与缺陷，提高了未掺杂GaN层4的晶体质量。并且多个岛状结构在均布的InGaN量子点结构31上生长，也使得多个岛状结构的生长体积相差较小，多个岛状结构在合并时晶界处的缺陷较小，可提高未掺杂GaN层4的晶体质量。

其中，衬底1可为蓝宝石衬底1。制作成本较低。

在本发明实施例提供的其他情况中，衬底1也可为氮化镓、蓝宝石、SiC、Si、AlN、SiO₂、金刚石中的一种。

可选地，石墨烯层2的厚度可为1～100nm。此时InGaN量子点层3可在石墨烯层2上进行良好的生长。

示例性地，InGaN量子点层3的厚度可为1～10nm。InGaN量子点层3的厚度在以上范围内时，生长得到的未掺杂GaN层4的晶体质量较好。

示例性地，未掺杂GaN层4的厚度可为1～5μm，能够有效提高外延片的晶体质量。

可选地，N型GaN层5的厚度可为1～5μm，能够保证N型GaN层5提供充足的电子。

N型GaN层5中的掺杂元素可为Si，Si的掺杂浓度可为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3。此时可得到质量较好的N型GaN层5。

示例性地，多量子阱层6可包括交替层叠的InGaN阱层61与GaN垒层62。InGaN阱层61的厚度可为2～3nm，GaN垒层62的厚度可为9～20nm。

P型GaN层7的厚度可为100～800nm。此时得到的发光二极管的发光效率较好。

图2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，如图2所示，该外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的石墨烯层2、InGaN量子点层3、未掺杂GaN层4、N型GaN层5、多量子阱层6、电子阻挡层8、P型GaN层7及P型接触层9。其中，InGaN量子点层3包括多个均布在石墨烯层2上的InGaN量子点结构31，InGaN量子点结构31为未掺杂GaN层4的成核点。

图2中所示的外延片结构相对图1中所示的外延片结构，在多量子阱层6与P型GaN层7之间增加了电子阻挡层8并在P型GaN层7上设置了P型接触层9。电子阻挡层8可避免电子由多量子阱层6溢出至P型GaN层7中，将电子限制在多量子阱层6中进行发光；P型接触层9的设置便于发光二极管的后续制备。

示例性地，电子阻挡层8可为p型Al_yGa_1-yN电子阻挡层，其中，0.1<y<0.5，电子阻挡层8的厚度可为20～100nm。

P型接触层9的厚度可为5～300nm。

在本发明的其他实施例中，本领域技术人员也可在N型GaN层5上设置电流扩展层等结构，本发明对此不做限制。

需要说明的是，InGaN量子点结构31的体积实际非常小，在图1与图2中对InGaN量子点结构31的体积实进行了放大以便于理解。

图3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3所示，该方法包括：

S101：提供一衬底。

S102：在衬底上生长石墨烯层。

S103：在反应腔的温度为700～800℃时，向反应腔内通入NH₃、100～2000sccm的In源与Ga源，在石墨烯层上生长InGaN量子点层，InGaN量子点层包括多个均布在石墨烯层上的InGaN量子点结构。

S104：向反应腔内通入NH₃与Ga源，以InGaN量子点结构为成核点，生长未掺杂GaN层。

S105：在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。

S106：在N型GaN层上生长多量子阱层。

S107：在多量子阱层上生长P型GaN层。

在反应腔内的温度为700～800℃时向反应腔内通入100～2000sccm的In源，在这种低温且通入的In源的流量较高的条件下，可在石墨烯层上顺利形成多个均布的InGaN量子点结构，在石墨烯层上形成InGaN量子点层。InGaN量子点层中的多个InGaN量子点结构的表面势能点较低且化学活性较高，可作为未掺杂GaN层的成核点，未掺杂GaN层更容易在InGaN量子点结构上生长，保证未掺杂GaN层可先在石墨烯层上均匀地形成多个岛状结构，多个岛状结构与多个InGaN量子点结构一一对应；继续未掺杂GaN层时，各岛状结构之间距离不会过大，岛状结构上原子的移动扩散较少，主要通过吸引更多的Ga原子与N原子来继续生长，因此减少了岛状结构上的原子在移动扩散过程中出现的晶格畸变与缺陷，提高了未掺杂GaN层的晶体质量。并且多个岛状结构对应在均布的InGaN量子点结构上生长，也使得多个岛状结构的生长体积相差较小，多个岛状结构在合并时晶界处的缺陷较小，未掺杂GaN层的晶体质量得到提高。

执行完步骤S107之后的外延片结构可见图1。外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的石墨烯层2、InGaN量子点层3、未掺杂GaN层4、N型GaN层5、多量子阱层6及P型GaN层7。其中，InGaN量子点层3包括多个均布在石墨烯层2上的InGaN量子点结构31。

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所示，该方法包括：

S201：提供一衬底。

S202：在衬底上生长石墨烯层。

可选地，在衬底上生长石墨烯层时，将衬底放置进化学气相沉积CVD(chemicalvapor deposition)设备中进行生长。

示例性地，可在CVD设备的反应腔内通入100～1000sccm的CH4，采用氢气与氩气作为CH4的载气，在衬底上生长石墨烯层。能够得到质量较好的石墨烯层。

示例性地，石墨烯层的生长温度可为800～1600℃。此时得到的石墨烯层的质量较好。

石墨烯层的生长压力可为10～900mbar。能够得到质量较好的石墨烯层。

可选地，石墨烯的生长厚度可为1～100nm。

S203：在反应腔的温度为700～800℃时，向反应腔内通入NH₃、100～2000sccm的与Ga源，在石墨烯层上生长InGaN量子点层，InGaN量子点层包括多个均布在石墨烯层上的InGaN量子点结构。

步骤S203可包括：将生长有石墨烯层的衬底放置进金属有机化合物化学气相淀积MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor De Position)设备中，在1000～1100℃的温度条件下，在氢气氛围中对石墨烯层高温处理10～15min。以清洁石墨烯层的表面，保证在石墨烯层上生长的InGaN量子点层的质量。

可选地，在石墨烯层上生长InGaN量子点层时，使用氢气与氮气作为载气向反应腔内通入NH₃、In源与Ga源，可保证InGaN量子点层在石墨烯层上的顺利生长。

示例性地，在石墨烯层上生长InGaN量子点层时，向反应腔内通入100～1000sccm的Ga源。此时在石墨烯层上生长得到的InGaN量子点结构的分布较为均匀，在InGaN量子点层上生长的未掺杂GaN层的质量也较好。

可选地，在石墨烯层上生长InGaN量子点层时，向反应腔内通入1000～40000sccm的NH₃。

其中，InGaN量子点层的生长时间可为1～10min。此时可保证在石墨烯层上生长有数量足够的InGaN量子点结构作为未掺杂GaN层的成核点，使未掺杂GaN层在生长时可在成核点处形成数量足够的岛状结构，数量足够的岛状结构之间的距离相对较为合适，在岛状结构继续生长合并时岛状结构之间不会出现较大的空隙缺陷。

可选地，InGaN量子点层的生长压力可为100～500Torr。此时得到的InGaN量子点层的质量较好。

S204：向反应腔内通入NH₃与Ga源，以InGaN量子点结构为成核点，生长未掺杂GaN层。

可选地，在石墨烯层上生长未掺杂GaN层时，使用氢气与氮气作为载气向反应腔内通入NH₃与Ga源，可保证未掺杂GaN层在石墨烯层上的顺利生长。

可选地，未掺杂GaN层的生长时间可为1～20min。未掺杂GaN层可在石墨烯层上以及InGaN量子点层上充分生长。

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。在此条件下能够得到质量较好的未掺杂GaN层。

可选地，未掺杂GaN层的生长厚度可为1～5μm。

S205：在未掺杂GaN层上生长N型GaN层。

N型GaN层的生长温度可为1000～1200℃，N型GaN层的生长压力可为100～500Torr。在此条件下能够得到质量较好的N型GaN层。

N型GaN层的生长厚度可为1～5μm。在此条件下的N型GaN层能够提供足够的电子并且降低外延片的制作成本。

S206：在N型GaN层上生长多量子阱层。

多量子阱层可包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。InGaN阱层的生长厚度可为2～3nm，GaN垒层的生长厚度可为9～20nm。

InGaN阱层的生长温度可为720～829℃，GaN垒层的生长温度可为850～959℃，InGaN阱层的生长压力与GaN垒层的生长压力均可为100～500Torr。此时得到的多量子阱层的质量较好。

S207：在多量子阱层上生长电子阻挡层。

电子阻挡层可为p型Al_yGa_1-yN电子阻挡层，其中，0.1<y<0.5，电子阻挡层的生长厚度可为20～100nm。

p型Al_yGa_1-yN电子阻挡层的生长温度可为200～1000℃，p型Al_yGa_1-yN电子阻挡层的生长压力可为50～500Torr。在此条件下可生长得到质量较好的p型Al_yGa_1-yN电子阻挡层。

S208：在电子阻挡层上生长P型GaN层。

其中，P型GaN层的生长温度可为600～1000℃，P型GaN层的生长压力可为100～300Torr。

P型GaN层的生长厚度可为100～800nm。

S209：在P型GaN层上生长P型接触层。

P型接触层的生长温度可为850～1050℃，生长压力可为100～300torr。

P型接触层可为外延片的后续制作做准备。

执行完步骤S209之后的外延片的结构可参见图2。外延片包括衬底1及依次层叠在衬底1上的石墨烯层2、InGaN量子点层3、未掺杂GaN层4、N型GaN层5、多量子阱层6、电子阻挡层8、P型GaN层7及P型接触层9。其中，InGaN量子点层3包括多个均布在石墨烯层2上的InGaN量子点结构31。

可选地，本方法还可包括：在P型GaN层上生长完P型接触层之后，在氮气气氛中对外延片进行退火处理。以消除部分外延片中存在的应力，保证外延片的晶体质量。

其中，退火温度可为650～850℃，退火时间可为5～15min。这种设置可大幅度消除应力。

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，其特征在于，所述外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的石墨烯层、InGaN量子点层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层及P型GaN层，其中，所述InGaN量子点层包括多个均布在所述石墨烯层上的InGaN量子点结构，所述InGaN量子点结构为所述未掺杂GaN层的成核点。

2.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述InGaN量子点层的厚度为1～10nm。

3.根据权利要求1所述的外延片，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为1～100nm。

4.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长石墨烯层；

在反应腔的温度为700～800℃时，向反应腔内通入NH₃、100～2000sccm的In源与Ga源，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层，所述InGaN量子点层包括多个均布在所述石墨烯层上的InGaN量子点结构；

向所述反应腔内通入NH₃与Ga源，以所述InGaN量子点结构为成核点，生长未掺杂GaN层；

在所述未掺杂GaN层上生长N型GaN层；

在所述N型GaN层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长P型GaN层。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层时，向反应腔内通入100～1000sccm的Ga源。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层时，向反应腔内通入1000～40000sccm的NH₃。

7.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述InGaN量子点层的生长时间为1～10min。

8.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述未掺杂GaN层的生长时间为1～20min。

9.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯的生长温度为1000～1500℃。

10.根据权利要求4～6任一项所述的制备方法，其特征在于，在所述石墨烯层上生长InGaN量子点层时，使用氢气与氮气作为载气向反应腔内通入NH₃、In源与Ga源。