CN114335274B - 一种发光二极管的外延结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发光二极管的外延结构及其制备方法，涉及二极管技术领域，应用于微型发光二极管或紫外发光二极管，该发光二极管的外延结构包括：衬底、缓冲层以及外延层；缓冲层设于衬底及外延层之间，缓冲层依次包括第一缓冲层、复合缓冲层及第二缓冲层，第一缓冲层设于衬底上，第一缓冲层为金属Ni，其通过PVD溅射方式生长形成厚度为5‑10nm的金属Ni薄膜层。本发明能够解决现有技术中的发光二极管普遍存在晶格失配，造成后续外延生长的外延层晶体质量差的技术问题。

Description

一种发光二极管的外延结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及二极管技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延结构及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步与发展，发光二极管已被广泛地应用于显示器和照明，发光二极管（LED）,是通过电子与空穴复合释放能量发光，其是通过电能转化光能，以实现发光二极管的发光，发光二极管工业量产主要是蓝绿光发光二极管。随着人们对发光二极管的显示亮度、对比度及分辨率要求越来越高，微型二极管及紫外二极管被高度关注，微型发光二极管（Micro LED），将发光二极管结构设计进行薄膜化、微小化与阵列化，将像素点距离从毫米级降低至微米级，其在亮度、对比度和可靠性等方面显示了巨大的优势，而紫外发光二极管（UV LED）,可发出波长约400nm的近紫外光的发光二极管，具有体积小，能耗低、寿命长等优势，被广泛应用于杀菌、照明、医疗、生化检测等领域。

目前比较常见的微型发光二极管与紫外发光二极管的主题材料为AlGaN系化合物半导体，由于缺乏与之相匹配的衬底材料，目前主要采用异质衬底包括蓝宝石、SiC和Si。由于在异质衬底上外延生长AlGaN系化合物半导体层时，AlGaN系化合物半导体层与衬底之间存在晶格失配与热失配，导致衬底与AlGaN系化合物半导体层的界面处具有大量的位错和缺陷，导致AlGaN材料的晶体质量及性能变差。

为了解决晶格失配和热失配问题，通常先在衬底上生长一层缓冲层，如GaN缓冲层，AlGaN缓冲层或AlN缓冲层，但是通过MOCVD方法得到的GaN缓冲层、AlGaN缓冲层、AlN缓冲层只能够一定程度上缓解晶格失配与热失配，只能满足普通的蓝绿光发光二极管的外延层，难以应用于晶体质量要求较高的微型发光二极管与紫外发光二极管。

因此，现有的发光二极管普遍存在晶格失配，造成后续外延生长的外延层晶体质量差的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种发光二极管的外延结构及其制备方法，旨在解决现有技术中的晶格失配，造成后续外延生长的外延层晶体质量差的技术问题。

本发明的一方面在于提供一种发光二极管的外延结构，应用于微型发光二极管或紫外发光二极管，所述发光二极管的外延结构包括：

衬底、缓冲层以及外延层；

所述缓冲层设于所述衬底及所述外延层之间，所述缓冲层依次包括第一缓冲层、复合缓冲层及第二缓冲层，所述第一缓冲层设于所述衬底上，所述第一缓冲层为金属Ni，其通过PVD溅射方式生长形成厚度为5-10nm的金属Ni薄膜层。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过本发明提供的一种发光二极管的外延结构，在衬底上依次设有缓冲层，缓冲层依次包括第一缓冲层、复合缓冲层及第二缓冲层，第一缓冲层设于衬底上，第一缓冲层为金属Ni薄膜层，第一缓冲层与第二缓冲层在两层之间复合形成复合缓冲层，复合缓冲层的形成提高缓冲层整体的晶体质量以及浸润性，以利于后续外延层的成核生长，同时，该缓冲层可降低后续外延生长的外延层的成核功，以使后续外延生长的外延层更容易成核形成薄膜，从而提高后续外延生长的外延层的晶体质量，从而解决了普遍存在的晶格失配，造成后续外延生长的外延层晶体质量差的技术问题。

根据上述技术方案的一方面，所述第二缓冲层为AlGaN，其通过MOCVD方式外延生长形成厚度为50-100nm的AlGaN薄膜层。

根据上述技术方案的一方面，所述第二缓冲层外延生长的AlGaN薄膜层，Al的组分占比在0.3-1之间。

根据上述技术方案的一方面，所述第二缓冲层外延生长于所述第一缓冲层上，当所述第一缓冲层及第二缓冲层生长完成后，通过退火处理，在所述第一缓冲层与第二缓冲层之间形成所述复合缓冲层。

根据上述技术方案的一方面，所述复合缓冲层为Ni-AlGaN合金，其通过在N₂环境下退火处理5-10min形成Ni-AlGaN合金。

根据上述技术方案的一方面，所述外延层依次包括：

未掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、发光层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层及接触层，所述未掺杂AlGaN层设于所述缓冲层上。

根据上述技术方案的一方面，所述发光层为多量子阱层结构，包括5-12个周期GaN阱层与AlGaN垒层，其中，GaN阱层的厚度为2-4nm，AlGaN垒层的厚度为8-20nm，Al组分占比为0.1-0.5。

根据上述技术方案的一方面，所述衬底为蓝宝石衬底。

本发明的另一方面在于提供一种发光二极管的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次外延生长第一缓冲层及第二缓冲层；

对所述第一缓冲层与第二缓冲层进行退火处理，以在第一缓冲层与第二缓冲层之间形成复合缓冲层，其中，所述第一缓冲层为金属Ni，其通过PVD溅射方式生长形成厚度为5-10nm的金属Ni薄膜层。

在所述第二缓冲层上外延生长后续外延层。

进一步说明，所述第一缓冲层生长步骤包括：

将温度设置在400-600℃之间，溅射功率设置在2000-4000W之间，压力设置在1-10Torr之间，在衬底上生长形成厚度为5-10nm的金属Ni薄膜层。

附图说明

图1为本发明第一实施例中发光二极管的结构示意图；

图2为本发明第一实施例中发光二极管的各层具体的结构示意图；

图3为本发明第二实施例中发光二极管制备方法的流程图；

附图标记说明：

衬底100、缓冲层200、第一缓冲层210、复合缓冲层220、第二缓冲层230、外延层300、未掺杂AlGaN层310、N型掺杂AlGaN层320、发光层330、电子阻挡层340、P型掺杂GaN层350、接触层360；

以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

实施例一

请参阅图1-图2，所示为本发明第一实施例提供的一种发光二极管的外延结构，应用于微型发光二极管或紫外发光二极管，发光二极管的外延结构包括：衬底100、缓冲层200以及外延层300；其中，衬底100为后续外延层300生长的基板，用于支撑与固定后续生长的外延层300。其中，衬底100材料是照明领域技术发展的基石，是决定发光二极管颜色、亮度及寿命等性能指标的主要因素，衬底100材料的选择决定了后续外延层300的生长技术、芯片加工技术及发光二极管的封装技术，因此衬底100材料的选择决定了该发光二极管的发展路线。衬底100材料需与外延材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好及缺陷密度小，否则会影响到外延层300的生长质量。常用的衬底100材料包括蓝宝石(Al₂O₃)、硅(Si)及碳化硅(SiC)，在本实施例中，采用以(0001)晶向蓝宝石(Al₂O₃)作为衬底100，蓝宝石衬底化学性能好，能够运用在高温生长后续外延层300的生长过程中，其结构不被破坏，同时，蓝宝石衬底不吸收可见光，价格适中，制备简单。

其中，在衬底100上设有缓冲层200，缓冲层200用于缓解外延层300与衬底100之间的晶格失配及热失配；缓冲层200包括第一缓冲层210、复合缓冲层220及第二缓冲层230，其中，第一缓冲层210为金属Ni薄膜层，其是通过PVD溅射方式生长形成金属Ni薄膜层，物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)是指在真空条件下采用物理方法将材料源（固体或液体）表面气化成气态原子或分子，或部分电离成离子，并通过低压气体（或等离子体）过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜。具体为，将温度加热至400-600℃之间，压力设置在1-10Torr之间，溅射功率调节至2000-4000W之间，PVD溅射方式生长金属Ni薄膜层，厚度为5-10nm。通过PVD溅射方式生长的金属Ni薄膜层耗材少、无污染、成膜均匀致密及与蓝宝石（Al₂O₃）衬底的结合力强。

另外，第一缓冲层210上外延生长第二缓冲层230，第二缓冲层230为AlGaN薄膜层，其是通过MOCVD外延生长的AlGaN薄膜层，MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。具体为，将温度加热至850-1000℃之间，压力调节至50-100Torr之间，外延生长形成厚度为50-100nm的AlGaN缓冲层，其中，Al的组分占比在0.3-1.0之间。

需要说明的是，当在蓝宝石（Al₂O₃）衬底生长AlN缓冲层或AlGaN缓冲层时，由于Al的黏附系数较高，对蓝宝石（Al₂O₃）衬底的浸润性较差，在蓝宝石（Al₂O₃）衬底上的横向迁移能力较弱，导致生长的AlN缓冲层或AlGaN缓冲层容易以立体三维小岛状模式生长，难以完全成核形成连续的AlN薄膜或AlGaN薄膜，造成AlN薄膜或AlGaN薄膜自身的晶体质量差，从而影响后续外延生长的外延层300的晶体质量，甚至影响发光二极管的性能。

当在蓝宝石（Al₂O₃）衬底上沉积AlN薄膜或AlGaN薄膜前预铺一层金属Ni薄膜层，由于金属Ni材料的浸润性大于金属Al材料，AlN或AlGaN在金属Ni薄膜层上具有相对较低的成核功，更容易横向迁移形成AlN薄膜或AlGaN薄膜，能完全成核形成连续的AlN薄膜或AlGaN薄膜，提高AlN薄膜或AlGaN薄膜自身的晶体质量。

除此之外，第二缓冲层230外延生长完成之后，将温度加热至850-1000℃之间，压力调节至50-100Torr之间，在N₂环境中进行退火处理5-10min，在第一缓冲层210与第二缓冲层230之间形成复合缓冲层220，即在高温退火处理下，金属Ni向AlGaN薄膜扩散，Ni取代Al或Ga的活跃点位，形成Ni-AlGaN合金。

需要说明的是，第一缓冲层210的金属Ni薄膜层，与第二缓冲层230的AlGaN薄膜通过退火处理形成复合缓冲层220的Ni-AlGaN合金，构成三层式缓冲层，固体表面的浸润性与接触角成正比，固体表面的可浮性与接触角成反比，即固体表面的可浮性越差，浸润性就越好，但同时，密度越大的物质可浮性越差，可推导，即密度越大浸润性越好，金属Ni的密度大于金属Al及金属Ga，所以复合缓冲层220的Ni-Al(Ga)N合金的浸润性要优于GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN缓冲层其中任意一项的浸润性，后续外延层300更易在三层式缓冲层上横向迁移形成连续的薄膜，同时按照经典热力学理论，异质成核的能量势垒ΔG1=ΔG2*f(θ)，其中，ΔG2是均匀成核的成核功，θ是核与异质表面的平衡接触角，而f(θ)=(2-3cosθ+cos3θ)/4，因此，异质成核的能量势垒ΔG1=ΔG2*f(θ)= ΔG2*(2-3cosθ+ cos3θ)/4，公式推导得出，异质成核的能量势垒ΔG1随着接触角的减小而减小，由浸润性可知，Ni-Al(Ga)N缓冲层的接触角要小于GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN缓冲层其中任意一项的接触角，而异质成核的能量势垒ΔG1随着接触角的减小而减小，所以Ni-Al(Ga)N缓冲层所需的成核功小于GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN缓冲层，后续生长的外延层300更易于在三层式缓冲层成核生长，以使后续外延生长的外延层300更易形成连续的薄膜，从而提高后续外延生长的外延层300的晶体质量，提升发光二极管的性能。

其中，缓冲层200上设有外延层300，缓冲层200的三层式设置将改善外延层300的晶体质量及性能，外延层300包括未掺杂AlGaN层310、N型掺杂AlGaN层320、发光层330、电子阻挡层340、P型掺杂GaN层350及接触层360。其中，未掺杂AlGaN层310在缓冲层200上结晶聚合成连续平整的基底层，以利于N型掺杂AlGaN层320的晶体生长。具体为，将温度上升至1050-1200℃之间，压力调整至50-100Torr之间，外延生长未掺杂AlGaN层310，其厚度为1-3μm，Al组分占比在0.3-0.8之间。该未掺杂AlGaN层310是首先在缓冲层200上形成不规则的岛状成核层，继而在成核层上填平形成光滑的填平层，以获得未掺杂AlGaN层310，减少未掺杂AlGaN层310的内部缺陷；同时，该缓冲层200的三层式设置，利于未掺杂AlGaN层310的连续薄膜的形成，提高未掺杂AlGaN层310的晶体质量。

另外，未掺杂AlGaN层310上设有N型掺杂AlGaN层320，该N型掺杂AlGaN层320拥有多余的电子，提供电子给发光层330，以达到电子与空穴的辐射复合，从而实现发光二极管的发光。具体为，将温度设置至1100-1200℃之间，压力设置至50-100Torr之间，硅（Si）作为N型掺杂AlGaN层320的掺杂剂，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3-10²⁰cm^-3之间，外延生长形成厚度为1-3μm之间的N型掺杂AlGaN层320，其中，Al组分占比在0.2-0.6之间。N型掺杂AlGaN层320为发光二极管的电子来源层，在三层式缓冲层200上外延生长晶体质量较好的未掺杂AlGaN层310，N型掺杂AlGaN层320外延生长于晶体质量较好的未掺杂AlGaN层310上，改善N型掺杂AlGaN层320的晶体质量及性能。

N型掺杂AlGaN层320上设有发光层330，发光层330为多量子阱结构（MQW），量子阱（QW）是指两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。多量子阱层（MQW）包括5-12个周期GaN阱层与AlGaN垒层，其中，单个GaN阱层的厚度为2-4nm，外延生长温度为900-1000℃之间，压力在50-200Torr之间；而单个AlGaN垒层的厚度为8-20nm，外延生长温度为1000-1100℃之间，生长压力在50-100Torr之间，Al组分占比在0.1-0.5之间。当发光二极管两端外加电场，N型掺杂AlGaN层320作为负极，P型掺杂GaN层350作为正极，N型掺杂AlGaN层320拥有多余的电子，P型掺杂GaN层350拥有多余的空穴，N型掺杂AlGaN层320中多余的电子向正极P型掺杂GaN层350方向迁移，P型掺杂GaN层350中多余的空穴向负极N型掺杂AlGaN层320方向迁移,两端迁移的电子与空穴在发光层330会合，即在多量子阱内发生电子-空穴辐射复合，从而实现发光二极管发光。

其中，发光层330上设有电子阻挡层340，电子阻挡层340为AlGaN薄膜层，其用于阻挡N型掺杂AlGaN层320电子迁移至P型掺杂GaN层350，将电子阻挡至发光层330区域，有效的增强电子-空穴的复合效率。具体为，将温度设置在1000-1100℃之间，压力调节至50-100Torr之间，Al组分占比在0.1-0.5之间，外延生长形成厚度为20-100nm的AlGaN电子阻挡层。由于电子的迁移速度大于空穴的迁移速度，电子阻挡层340能有效地阻挡N型掺杂AlGaN层320电子迁移至P型掺杂GaN层350，提高量子阱内电子-空穴波函数重叠率，从而提高发光二极管的发光效率。

自然而然，电子阻挡层340上设有P型掺杂GaN层350，P型掺杂GaN层350拥有多余的空穴，其提供空穴给发光层330，以在多量子阱形成电子与空穴的辐射复合，从而实现发光二极管的发光。具体为，将温度调节至950-1050℃之间，压力调节至50-300Torr之间，镁（Mg）作为P型掺杂GaN层350的掺杂剂，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3-10²⁰cm^-3之间，外延生长形成厚度为30-200nm之间的P型掺杂GaN层350。

另外，在P型掺杂GaN层350上设有接触层360，接触层360为AlGaN薄膜层，其用于与电极接合形成欧姆接触，有效的降低电压及提高亮度。具体为，将温度设置为1000-1100℃之间，压力设置为50-100Torr之间，外延生长AlGaN接触层，其厚度为10-50nm之间，Al组分占比在0-0.3之间。

将外延层300生长完成之后，降低反应腔室温度，将外延层300生长完成的外延片在N₂环境中退火处理，退火温度设置为650-850℃之间，退火处理5-15min，退火完成后将外延片放置室温冷却，发光二极管外延生长完成。

相比于现有技术，本实施例提供的发光二极管的外延结构，有益效果在于：通过本发明提供的一种发光二极管的外延结构，在衬底上依次设有缓冲层，缓冲层依次包括第一缓冲层、复合缓冲层及第二缓冲层，第一缓冲层设于衬底上，第一缓冲层为金属Ni薄膜层，第一缓冲层与第二缓冲层在两层之间复合形成复合缓冲层，复合缓冲层的形成提高缓冲层整体的晶体质量以及浸润性，以利于后续外延层的成核生长，同时，该缓冲层可降低后续外延生长的外延层的成核功，以使后续外延生长的外延层更容易成核形成薄膜，从而提高后续外延生长的外延层的晶体质量，从而解决了普遍存在的晶格失配，造成后续外延生长的外延层晶体质量差的技术问题。

实施例二

请参阅图3，所示为本发明第二实施例提供的一种发光二极管的制备方法，所述方法包括步骤S10-S13：

步骤S10，提供一衬底；

其中，衬底材料需与外延材料的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小，否则会影响后续外延层的生长质量，在本实施例当中，采用(0001)晶向蓝宝石(Al₂O₃)作为衬底，蓝宝石衬底化学性能稳定，在高温生长后续外延层的生长过程中，蓝宝石衬底结构都不会被破坏，同时，蓝宝石衬底不吸收可见光，价格适中，制备简单。

步骤S11，在所述衬底上依次外延生长第一缓冲层及第二缓冲层；

其中，在蓝宝石衬底依次外延生成第一缓冲层及第二缓冲层，其中，第一缓冲层为金属Ni薄膜层，其是通过PVD溅射方式生长形成金属Ni薄膜层。通过PVD溅射方式生长的金属Ni薄膜层耗材少、无污染、成膜均匀致密及与蓝宝石（Al₂O₃）衬底的结合力强。

具体为，将温度设置为400-600℃之间，压力调节至1-10Torr之间，溅射功率调整至2000-4000W之间，在蓝宝石衬底上生长形成厚度为5-10nm金属Ni薄膜层。由于金属Ni材料相对于蓝宝石衬底的浸润性大于金属Al材料相对于蓝宝石衬底的浸润性，第二缓冲层在金属Ni薄膜层上更易形成连续薄膜，同时第二缓冲层在金属Ni薄膜层上具有相对较低的成核功，更易于形成成核完成连续的第二缓冲层，从而提升第二缓冲层的晶体质量。

另外，在第一缓冲层外延生长第二缓冲层，第二缓冲层为AlGaN薄膜层，由于Al的黏附系数较高，对蓝宝石（Al₂O₃）衬底的浸润性较差，在蓝宝石（Al₂O₃）衬底上的横向迁移能力较弱，导致外延生长的AlGaN薄膜层以立体三维小岛状模式生长，难以完成成核形成连续的AlGaN薄膜层，造成AlGaN薄膜自身的晶体质量相对较差。当蓝宝石（Al₂O₃）衬底上外延生长AlGaN薄膜前，预先生长一层金属Ni薄膜层时，AlGaN在金属Ni薄膜层上更易形成连续薄膜，同时AlGaN在金属Ni薄膜层上具有相对较低的成核功，更易于形成成核完成连续的AlGaN薄膜层，改善了AlGaN薄膜层的晶体质量。

具体为，将温度加热至850-1000℃之间，压力调节至50-100Torr之间，在金属Ni薄膜层上外延生长形成AlGaN缓冲层，其中，AlGaN缓冲层的厚度为50-100nm之间，Al的组分占比在0.3-1.0之间。

步骤S12，对所述第一缓冲层与第二缓冲层进行退火处理，以在第一缓冲层与第二缓冲层之间形成复合缓冲层，其中，所述第一缓冲层为金属Ni，其通过PVD溅射方式生长形成厚度为5-10nm的金属Ni薄膜层；

具体为，将温度加热至850-1000℃之间，压力调节至50-100Torr之间，在N₂环境中进行退火处理5-10min，在第一缓冲层与第二缓冲层之间形成复合缓冲层。即在高温退火处理下，金属Ni向AlGaN薄膜扩散，Ni取代Al或Ga的活跃点位，形成Ni-AlGaN合金。

需要说明的是，根据浸润性与可浮性的计算公式可知，物质的可浮性越差，浸润性就越好，同时可得物质的密度越大可浮性越差，可推导得：物质的密度越大浸润性越好，Ni的密度大于Al和Ga，所以浸润性Ni-Al(Ga)N缓冲层要好于GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN缓冲层任意一项的浸润性。而第一缓冲层金属Ni薄膜层，与第二缓冲层AlGaN薄膜通过退火处理形成复合缓冲层Ni-AlGaN合金，构成三层式缓冲层，后续外外延层更易在三层式缓冲层上横向迁移形成连续的薄膜；同时，浸润性与接触角成正比，Ni-Al(Ga)N缓冲层的接触角小于GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN缓冲层其中任意一项的接触角，根据经典热力学理论，异质成核的能量势垒ΔG1=ΔG2*f(θ)，其中，ΔG2是均匀成核的成核功，θ是核与异质表面的平衡接触角，而f(θ)=(2-3cosθ+ cos3θ)/4，因此，异质成核的能量势垒ΔG1=ΔG2*f(θ)=ΔG2*(2-3cosθ+ cos3θ)/4，公式推导得出，异质成核的能量势垒ΔG1随着接触角的减小而减小，由浸润性特性可知，Ni-Al(Ga)N缓冲层的接触角小于GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN缓冲层其中任意一项的接触角，所以Ni-Al(Ga)N缓冲层所需的成核功小于GaN缓冲层、AlGaN缓冲层或AlN缓冲层任意一项的成核功，后续生长的外延层更易于在三层式缓冲层成核生长，从而提高后续外延生长的外延层的晶体质量，提升发光二极管的性能。

步骤S13，在所述第二缓冲层上外延生长后续外延层。

其中，外延层依次包括未掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、发光层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层及接触层。缓冲层的三层式设置将改善后续外延层的晶体质量及性能。其中，未掺杂AlGaN层在第二缓冲层上结晶聚合成连续平整的基底层，以利于N型掺杂AlGaN层的晶体生长。该未掺杂AlGaN层是首先在缓冲层上形成不规则的岛状成核层，继而在成核层上填平形成光滑的填平层，以获得未掺杂AlGaN层，减少未掺杂AlGaN层的内部缺陷；同时，该缓冲层的三层式设置，利于未掺杂AlGaN层的连续薄膜的形成，提高未掺杂AlGaN层的晶体质量。

具体为，将温度设置至1050-1200℃之间，压力调整至50-100Torr之间，在第二缓冲层上外延生长形成厚度为1-3μm未掺杂AlGaN层， Al组分占比在0.3-0.8之间。

另外，在未掺杂AlGaN层上外延生长N型掺杂AlGaN层，该N型掺杂AlGaN层拥有多余的电子，提供电子给发光层，以达到电子与空穴的辐射复合，从而实现发光二极管的发光。N型掺杂AlGaN层外延生长于晶体质量较好的未掺杂AlGaN层上，改善N型掺杂AlGaN层的晶体质量及性能。

具体为，将温度调整至1100-1200℃之间，压力调节至50-100Torr之间，硅（Si）作为N型掺杂AlGaN层的掺杂剂，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3-10²⁰cm^-3之间，外延生长形成N型掺杂AlGaN层，其中，N型掺杂AlGaN层的厚度为1-3μm之间，Al组分占比在0.2-0.6之间。

在N型掺杂AlGaN层上外延生长发光层，发光层为多量子阱结构（MQW），N型掺杂AlGaN层拥有多余的电子，提供电子给发光层，P型掺杂GaN层拥有多余的空穴，其提供空穴给发光层，电子与空穴在发光层会合，即在多量子阱内发生电子-空穴发生辐射复合，从而实现发光二极管发光。

具体为，多量子阱层（MQW）包括5-12个周期GaN阱层与AlGaN垒层，其中，单个GaN阱层的厚度为2-4nm，外延生长温度为900-1000℃之间，压力在50-200Torr之间；而单个AlGaN垒层的厚度为8-20nm，外延生长温度为1000-1100℃之间，生长压力在50-100Torr之间，Al组分占比在0.1-0.5之间。

其中，在发光层上外延生长电子阻挡层,电子阻挡层为AlGaN薄膜层，由于电子的迁移速度大于空穴的迁移速度，电子阻挡层能有效地阻挡N型掺杂AlGaN层电子迁移至P型掺杂GaN层，提高量子阱内电子-空穴波函数重叠率，从而提高发光二极管的发光效率。

具体为，将温度设置在1000-1100℃之间，压力调节至50-100Torr之间，Al组分占比在0.1-0.5之间，外延生长形成厚度为20-100nm的AlGaN电子阻挡层。

随后，在电子阻挡层上外延生长P型掺杂GaN层，P型掺杂GaN层拥有多余的空穴，其提供空穴给发光层，以在多量子阱形成电子与空穴的辐射复合，从而实现发光二极管的发光。

具体为，将温度设置至950-1050℃之间，压力设置至50-300Torr之间，镁（Mg）作为P型掺杂GaN层的掺杂剂，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3-10²⁰cm^-3之间，外延生长形成P型掺杂GaN层，其厚度为30-200nm。

自然而然，接触层外延生长于P型掺杂GaN层上，接触层为AlGaN薄膜层，其用于与电极接合形成欧姆接触，有效的降低电压及提高亮度。具体为，将温度设置为1000-1100℃之间，压力设置为50-100Torr之间，外延生长AlGaN接触层，其厚度为10-50nm之间，Al组分占比在0-0.3之间。

将外延层生长完成之后，降低反应腔室温度，将外延层生长完成的外延片在N₂环境中退火处理，退火温度设置为650-850℃之间，退火处理5-15min，退火完成后将外延片放置室温冷却，发光二极管外延生长完成。三层式缓冲层的设置，将会改善后续外延生长的外延层的晶体质量，外延层更易于在三层式缓冲层成核生长成连续的薄膜，从而提高后续外延生长的外延层的晶体质量，提升发光二极管的性能。

相比于现有技术，本实施例提供的发光二极管的制备方法，有益效果在于：通过本发明提供的一种发光二极管的制备方法，在衬底上依次外延生长第一缓冲层及第二缓冲层，第一缓冲层为金属Ni薄膜层，第一缓冲层与第二缓冲层在两层之间复合形成复合缓冲层，复合缓冲层的形成提高缓冲层整体的晶体质量及浸润性，以利于后续外延层的成核生长，同时，该缓冲层的三层式设置可降低后续外延生长的外延层的成核功，以使后续外延生长的外延层更容易成核形成薄膜，从而提高后续外延生长的外延层的晶体质量，从而解决了普遍存在的晶格失配，造成后续外延生长的外延层晶体质量差的技术问题。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种发光二极管的外延结构，应用于微型发光二极管或紫外发光二极管，其特征在于，所述发光二极管的外延结构包括：

衬底、缓冲层以及外延层；

所述缓冲层设于所述衬底及所述外延层之间，所述缓冲层依次包括第一缓冲层、复合缓冲层及第二缓冲层，所述第一缓冲层设于所述衬底上，所述第一缓冲层为金属Ni，其通过PVD溅射方式生长形成厚度为5-10nm的金属Ni薄膜层，所述第二缓冲层为AlGaN薄膜层，通过退火处理，在所述第一缓冲层与第二缓冲层之间形成所述复合缓冲层，所述复合缓冲层为Ni-AlGaN合金。

2.根据权利要求1所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第二缓冲层的厚度为50-100nm。

3.根据权利要求2所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述第二缓冲层外延生长的AlGaN薄膜层，Al的组分占比在0.3-1之间。

4.根据权利要求1所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述复合缓冲层是通过在N₂环境下退火处理5-10min形成Ni-AlGaN合金。

5.根据权利要求1所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述外延层依次包括：

未掺杂AlGaN层、N型掺杂AlGaN层、发光层、电子阻挡层、P型掺杂GaN层及接触层，所述未掺杂AlGaN层设于所述缓冲层上。

6.根据权利要求5所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述发光层为多量子阱层结构，包括5-12个周期GaN阱层与AlGaN垒层，其中，GaN阱层的厚度为2-4nm，AlGaN垒层的厚度为8-20nm，Al组分占比为0.1-0.5。

7.根据权利要求1所述的发光二极管的外延结构，其特征在于，所述衬底为蓝宝石衬底。

8.一种发光二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次外延生长第一缓冲层及第二缓冲层；

对所述第一缓冲层与第二缓冲层进行退火处理，以在第一缓冲层与第二缓冲层之间形成复合缓冲层，其中，所述第一缓冲层为金属Ni，其通过PVD溅射方式生长形成厚度为5-10nm的金属Ni薄膜层，所述第二缓冲层为AlGaN薄膜层，所述复合缓冲层为Ni-AlGaN合金；

在所述第二缓冲层上外延生长后续外延层。

9.根据权利要求8所述的发光二极管的制备方法，其特征在于，所述第一缓冲层生长步骤包括：

将温度设置在400-600℃之间，溅射功率设置在2000-4000W之间，压力设置在1-10Torr之间，在衬底上生长形成厚度为5-10nm的金属Ni薄膜层。

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