本發(fā)明涉及半導體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管的外延片及其制備方法。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管(英文：lightemittingdiode，簡稱：led)是利用半導體的pn結(jié)電致發(fā)光原理制成的一種半導體發(fā)光器件。外延片是發(fā)光二極管制備過程中的初級成品。

現(xiàn)有的外延片包括藍寶石襯底以及依次層疊在藍寶石襯底上的緩沖層、未摻雜氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層和p型氮化鎵層。其中，多量子阱層包括多個量子阱和多個量子壘，多個量子阱和多個量子壘交替層疊設置，量子阱為銦鎵氮層，量子壘為氮化鎵層。

在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題：

若量子阱采用較優(yōu)的溫度(750～850℃)生長，則量子阱的生長質(zhì)量較好，但同時會造成銦的析出，量子阱中銦組分的含量降低。為了保障量子阱的發(fā)光，量子阱中銦組分的含量需要在設定范圍內(nèi)，因此通常采用比較優(yōu)的溫度低50℃的溫度生長量子阱，但這樣會造成量子阱的生長質(zhì)量較差，導致缺陷產(chǎn)生，缺陷又造成量子阱的界面發(fā)生變化，界面極化較大，影響量子阱中電子和空穴的復合，導致發(fā)光二極管的發(fā)光效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)發(fā)光二極管的發(fā)光效率較低的問題，本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片及其制備方法。所述技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，所述外延片包括襯底以及依次層疊在所述襯底上的緩沖層、未摻雜氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層和p型氮化鎵層，所述多量子阱層包括多個量子阱和多個量子壘，所述多個量子阱和所述多個量子壘交替層疊設置，所述量子阱為銦鎵氮層，所述多量子阱層還包括至少一個石墨烯薄膜層，各個所述石墨烯薄膜層分別設置在兩個相鄰的所述量子阱和所述量子壘之間，當所述石墨烯薄膜層的數(shù)量超過1個時，相鄰兩個所述石墨烯薄膜層之間設有至少一個所述量子阱或者至少一個所述量子壘。

可選的，各個所述石墨烯薄膜層與所述n型氮化鎵層之間的距離大于與所述電子阻擋層之間的距離。

可選的，當所述石墨烯薄膜層的數(shù)量超過3個時，任意兩個相鄰的所述石墨烯薄膜層之間的所述量子阱和所述量子壘的層數(shù)之和相等。

可選的，任意兩個相鄰的所述量子阱和所述量子壘之間均設有所述石墨烯薄膜層。

可選的，所述石墨烯薄膜層的數(shù)量為1～20個。

可選地，所述石墨烯薄膜層的厚度為1nm～1.1nm。

另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片的制備方法，所述制備方法包括：

提供一襯底；

在所述襯底上依次生長緩沖層、未摻雜氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層和p型氮化鎵層；

其中，所述多量子阱層包括多個量子阱和多個量子壘，所述多個量子阱和所述多個量子壘交替層疊設置，所述量子阱為銦鎵氮層，所述多量子阱層還包括至少一個石墨烯薄膜層，所述石墨烯薄膜層設置在兩個相鄰的所述量子阱和所述量子壘之間，當所述的石墨烯薄膜層的數(shù)量超過1個時，相鄰兩個所述石墨烯薄膜層之間設有至少一個所述量子阱或者至少一個所述量子壘。

可選地，所述石墨烯薄膜層的生長方式如下：

通過甩膠的方式在所述量子阱或所述量子壘上形成所述石墨烯薄膜層。

可選地，所述石墨烯薄膜層的生長溫度為20～150℃。

可選地，所述石墨烯薄膜層的生長壓力為50～150torr。

本發(fā)明實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：

石墨烯的電子密度高，將石墨烯薄膜層設置在相鄰的量子阱和量子壘之間，可以利用石墨烯薄膜層防止量子阱中的銦原子擴散到量子壘中，提高量子阱中銦的有效摻雜，避免銦由于量子阱的生長溫度較高而析出，從而可以采用較高的溫度生長量子阱，提高量子阱的生長質(zhì)量，改善界面極化，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。而且石墨烯的電導率好，有利于電子和空穴的橫向擴展，避免界面極化，有利于電子和空穴的復合，進一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)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(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實施例一提供的一種發(fā)光二極管的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例一提供的多量子阱層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例一提供的石墨烯薄膜層一種設置方式的示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例一提供的石墨烯薄膜層另一種設置方式的示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例一提供的石墨烯薄膜層又一種設置方式的示意圖；

圖6是本發(fā)明實施例五提供的一種發(fā)光二極管的外延片的制備方法的流程圖；

圖7是本發(fā)明實施例六提供的另一種發(fā)光二極管的外延片的制備方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例一

本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，參見圖1，該外延片包括襯底1以及依次層疊在襯底1上的緩沖層2、未摻雜氮化鎵層3、n型氮化鎵層4、多量子阱層5、電子阻擋層6和p型氮化鎵層7。

在本實施例中，參見圖2，多量子阱層5包括多個量子阱51和多個量子壘52，多個量子阱51和多個量子壘52交替層疊設置，量子阱為銦鎵氮層。多量子阱5還包括至少一個石墨烯薄膜層53，石墨烯薄膜層53設置在兩個相鄰的量子阱51和量子壘52之間，當石墨烯薄膜層53的數(shù)量超過1個時，相鄰兩個石墨烯薄膜層53之間設有至少一個量子阱51或者至少一個量子壘52(圖2僅以石墨烯薄膜層的數(shù)量為1個為例，本發(fā)明并不限制于此)。

在本實施例中，當石墨烯薄膜層的數(shù)量為1個時，石墨烯薄膜層可以設置在任意兩個相鄰的量子阱51和量子壘52之間；當石墨烯薄膜層的數(shù)量超過1個時，可以從所有相鄰的量子阱和量子壘之間的位置中，選擇數(shù)量與石墨烯薄膜層的數(shù)量相等的位置，并在選出的各個位置中均設置一個石墨烯薄膜層。例如，多量子阱層包括依次層疊的量子阱51a、量子壘52a、量子阱51b、量子壘52b，石墨烯薄膜層的數(shù)量為2個，可以一個石墨烯薄膜層設置在量子阱51a和量子壘52a之間，另一個石墨烯薄膜層設置在量子壘52a和量子阱51b之間，也可以一個石墨烯薄膜層設置在量子壘52a和量子阱51b之間，另一個石墨烯薄膜層設置在量子阱51b和量子壘52b之間，還可以一個石墨烯薄膜層設置在量子阱51b和量子壘52b之間，另一個石墨烯薄膜層設置在量子阱51a和量子壘52a之間。

石墨烯的電子密度高，將石墨烯薄膜層設置在相鄰的量子阱和量子壘之間，可以利用石墨烯薄膜層防止量子阱中的銦原子擴散到量子壘中，提高量子阱中銦的有效摻雜，避免銦由于量子阱的生長溫度較高而析出，從而可以采用較高的溫度生長量子阱，提高量子阱的生長質(zhì)量，改善界面極化，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。而且石墨烯的電導率好，有利于電子和空穴的橫向擴展，避免界面極化，有利于電子和空穴的復合，進一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

可選地，單個石墨烯薄膜層的厚度可以為1nm～1.1nm，以采用甩膠機一次成型。

可選地，石墨烯薄膜層的數(shù)量可以為1～20個。容易知道，石墨烯薄膜層的數(shù)量越多，說明越多相鄰兩個量子阱和量子壘之間設有石墨烯薄膜層，更多的量子阱可以采用較高的生長溫度，生長質(zhì)量好，界面極化改善，發(fā)光效率高，但是石墨烯薄膜層不能在氮化鎵材料上生長，需要另外采用工藝形成，因此若石墨烯薄膜層的數(shù)量超過20個，則可能會造成制備工藝過于復雜，生產(chǎn)成本過高。

在本實施例的一種實現(xiàn)方式中，如圖3所示，各個石墨烯薄膜層53與n型氮化鎵層4之間的距離可以大于與電子阻擋層6之間的距離。

由于n型氮化鎵層4注入多量子阱層5的電子數(shù)量遠多于p型氮化鎵層7注入多量子阱層5的空穴數(shù)量，因此電子和空穴主要集中在靠近電子阻擋層6的幾個量子阱51中復合發(fā)光，將石墨烯薄膜層53設置在靠近電子阻擋層6的量子阱51和量子壘52之間，可以有效提高主要發(fā)光的幾個量子阱51的生長質(zhì)量，有效提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。同時石墨烯薄膜層不能在氮化鎵材料上生長，需要另外采用工藝形成，與所有的量子阱和量子壘之間設置石墨烯薄膜層，只在主要發(fā)光的幾個量子阱周圍設置石墨烯薄膜層，既能有效提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率，也不會造成工藝過于復雜，生產(chǎn)成本過高。

在本實施例的另一種實現(xiàn)方式中，如圖4所示，當石墨烯薄膜層的數(shù)量超過3個時，任意兩個相鄰的石墨烯薄膜層之間的量子阱和量子壘的層數(shù)之和相等。例如，如圖4所示，任意兩個相鄰的石墨烯薄膜層之間均設有2個量子阱和2個量子壘。

將石墨烯薄膜層均勻設置在多量子阱層中，各量子阱的生長質(zhì)量分布比較均勻，可以避免由于底層生長質(zhì)量較差影響后續(xù)各層生長的問題，而且生產(chǎn)工藝相對簡單些，既對發(fā)光二極管的發(fā)光效率有一定的提高，也可以有效控制生產(chǎn)成本。

在本實施例的又一種實現(xiàn)方式中，如圖5所示，任意兩個相鄰的量子阱51和量子壘52之間均設有石墨烯薄膜層53。

將石墨烯薄膜層設置在每一個量子阱和量子壘之間，可以最大程度提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

具體地，襯底為藍寶石襯底。緩沖層可以為氮化鎵層，也可以為氮化鋁層。量子壘可以為氮化鎵層，也可以為鋁鎵氮層。電子阻擋層可以為鋁鎵氮層。進一步地，鋁鎵氮(algan)層可以為alxga1-xn層，0.1＜x＜0.5。

可選地，氮化鎵緩沖層的厚度可以為15～35nm。

可選地，未摻雜氮化鎵層的厚度可以為1～5μm。

可選地，n型氮化鎵層的厚度可以為1～5μm。

可選地，n型氮化鎵層中n型摻雜劑的摻雜濃度可以為10¹⁸～10¹⁹cm^-3。

可選地，量子壘的層數(shù)與量子阱相同，量子阱的層數(shù)可以為3～15層。

優(yōu)選地，石墨烯薄膜層的層數(shù)可以為量子阱的三分之一。進一步地，石墨烯薄膜層可以設在距離n型氮化鎵層最遠的幾個量子阱與相鄰的量子壘的交界處。

具體地，量子阱的厚度可以為3nm，量子壘的厚度可以為9～20nm。

可選地，電子阻擋層的厚度可以為50～150nm。

可選地，p型氮化鎵層的厚度可以為105～500nm。

實施例二

本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，本實施例提供的外延片是實施例一提供的外延片的一種具體實現(xiàn)。

在本實施例中，如圖3所示，多量子阱層5包括8個量子阱51和8個量子壘52，最靠近電子阻擋層6的2個量子阱51中各個量子阱51與相鄰的量子壘52的交界處均設有石墨烯薄膜層53。

實驗發(fā)現(xiàn)，本實施例的外延片與傳統(tǒng)外延片(多量子阱層包括8個量子阱和8個量子壘，各個量子阱與相鄰的量子壘的交界處均沒有設置石墨烯薄膜層)相比，電流密度為50a/cm²時的發(fā)光效率提升了2％，電流密度為100a/cm²時的發(fā)光效率提升了3.5％。

實施例三

本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，本實施例提供的外延片是實施例一提供的外延片的另一種具體實現(xiàn)。

在本實施例中，如圖4所示，多量子阱層5包括8個量子阱51和8個量子壘52，石墨烯薄膜層53設置在量子阱51和量子壘52的交界處，且相鄰石墨烯薄膜層53之間均設有2個量子阱51和2個量子壘52。

實驗發(fā)現(xiàn)，本實施例的外延片與傳統(tǒng)外延片(多量子阱層包括8個量子阱和8個量子壘，各個量子阱與相鄰的量子壘的交界處均沒有設置石墨烯薄膜層)相比，電流密度為50a/cm²時的發(fā)光效率提升了2.5％，電流密度為100a/cm²時的發(fā)光效率提升了5％。

實施例四

本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片，本實施例提供的外延片是實施例一提供的外延片的另一種具體實現(xiàn)。

在本實施例中，如圖5所示，多量子阱層5包括5個量子阱51和5個量子壘52，所有的量子阱51與相鄰的量子壘52的交界處均設有石墨烯薄膜層53。

實驗發(fā)現(xiàn)，本實施例的外延片與傳統(tǒng)外延片(多量子阱層包括8個量子阱和8個量子壘，各個量子阱與相鄰的量子壘的交界處均沒有設置石墨烯薄膜層)相比，電流密度為50a/cm²時的發(fā)光效率提升了4％，，電流密度為100a/cm²時的發(fā)光效率提升了9％。

實施例五

本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片的制備方法，適用于制備實施例一至實施例四種任一實施例提供的外延片，參見圖6，該制備方法包括：

步驟101：提供一襯底。

步驟102：在襯底上依次生長緩沖層、未摻雜氮化鎵層、n型氮化鎵層、多量子阱層、電子阻擋層和p型氮化鎵層。

在本實施例中，多量子阱層包括多個量子阱和多個量子壘，多個量子阱和多個量子壘交替層疊設置，量子阱為銦鎵氮層，多量子阱層還包括至少一個石墨烯薄膜層，石墨烯薄膜層設置在相鄰的量子阱和量子壘的交界處。

石墨烯的電子密度高，將石墨烯薄膜層設置在相鄰的量子阱和量子壘之間，可以利用石墨烯薄膜層防止量子阱中的銦原子擴散到量子壘中，提高量子阱中銦的有效摻雜，避免銦由于量子阱的生長溫度較高而析出，從而可以采用較高的溫度生長量子阱，提高量子阱的生長質(zhì)量，改善界面極化，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。而且石墨烯的電導率好，有利于電子和空穴的橫向擴展，避免界面極化，有利于電子和空穴的復合，進一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

在具體實現(xiàn)中，形成石墨烯薄膜層的過程可以如下：

通過甩膠的方式在量子阱或量子壘上形成石墨烯薄膜層。

在具體實現(xiàn)中，可以在純氮氣氣氛中，采用甩膠機將商用的乙醇處理的石墨烯溶液(graphenesupermarket，inc.)甩到量子阱或者量子壘上，形成石墨烯薄膜層。

具體地，石墨烯溶液中石墨烯的質(zhì)量密度可以為0.5mg/l～5mg/l，如1mg/l，2～3滴的石墨烯溶液(約0.1ml～0.15ml)即可在1平方厘米的平面上形成一層石墨烯薄膜層。石墨烯薄膜層的厚度可以由甩膠的次數(shù)控制。

在實際應用中，可以將甩膠機與生長量子阱和量子壘的反應腔連通，在需要形成石墨烯薄膜層時，直接將量子阱或量子壘在腔體內(nèi)轉(zhuǎn)移即可；也可以在需要形成石墨烯薄膜層時，直接從生長量子阱和量子壘的反應腔內(nèi)取出量子阱或量子壘，再放置在甩膠內(nèi)形成。待石墨烯薄膜層形成之后，再將量子阱或量子壘原路返回生長量子阱和量子壘的反應腔內(nèi)繼續(xù)外延生長。

實施例六

本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片的制造方法，本實施例提供的外延片是實施例五提供的制造方法的一種具體實現(xiàn)。參見圖7，該制備方法包括：

步驟200：控制溫度為1000～1200℃，將藍寶石襯底在氫氣氣氛中退火8分鐘，并進行氮化處理。

可以理解地，步驟200可以起到清潔藍寶石襯底表面的作用。

在本實施例中，控制溫度、壓力均是指控制生長外延片的反應腔中的溫度、壓力，后文不再贅述。

在本實施例中，藍寶石襯底采用[0001]晶向藍寶石。

步驟201：控制溫度為400～600℃，壓力為400～600torr，在藍寶石襯底上生長氮化鎵緩沖層。

可選地，氮化鎵緩沖層的厚度可以為15～35nm。

可選地，在步驟201之后，該制備方法還可以包括：

控制溫度為1000～1200℃，壓力為400～600torr，持續(xù)時間為5～10分鐘，對氮化鎵緩沖層進行原位退火處理。

步驟202：控制溫度為1000～1100℃，壓力為100～500torr，在氮化鎵緩沖層上生長未摻雜氮化鎵層。

可選地，未摻雜氮化鎵層的厚度可以為1～5μm。

步驟203：控制溫度為1000～1200℃，壓力為100～500torr，在未摻雜氮化鎵層上生長n型氮化鎵層。

可選地，n型氮化鎵層的厚度可以為1～5μm。

可選地，n型氮化鎵層中n型摻雜劑的摻雜濃度可以為10¹⁸～10¹⁹cm^-3。

步驟204：在n型氮化鎵層上生長多量子阱層。

在本實施例中，多量子阱層包括多個量子阱和多個量子壘，多個量子阱和多個量子壘交替層疊設置，量子阱為銦鎵氮層，多量子阱層還包括至少一個石墨烯薄膜層，各個石墨烯薄膜層分別設置在兩個相鄰的量子阱和量子壘之間，當石墨烯薄膜層的數(shù)量超過1個時，相鄰兩個石墨烯薄膜層之間設有至少一個量子阱或者至少一個量子壘。

具體地，單個量子阱的生長方法可以包括：

控制溫度為750～850℃，壓力為100～500torr，生長一層量子阱。

單個量子的生長方法包括：

控制溫度為850～959℃，壓力為100～500torr，生長一層量子壘。

單個石墨烯薄膜層的生長方法可以包括：

控制溫度為20～150℃，壓力為50～500torr，通過甩膠的方式形成一層石墨烯薄膜層。

在實際應用中，可以根據(jù)多量子阱層中各層的層疊順序，按照上述生長方式生長各層。例如，多量子阱層包括依次層疊的量子阱51a、量子壘52a、石墨烯薄膜層53、量子阱51b、石墨烯薄膜層53、量子壘52b，則先按照上述單個量子阱的生長方法生長量子阱51a，再按照上述單個量子壘的生長方法生長量子壘52a，接著按照上述石墨烯薄膜層的生長方法生長石墨烯薄膜層53，然后按照上述單個量子阱的生長方法生長量子阱51b，再按照上述單個石墨烯薄膜層的生長方法生長石墨烯薄膜層53，最后按照上述單個量子壘的生長方法生長量子壘52b。

具體地，石墨烯薄膜層可以在生長量子阱和量子壘的反應腔內(nèi)形成，也可以在生長量子阱或量子壘的反應腔外形成。

步驟205：控制溫度為850～1080℃，壓力為200～500torr，在多量子阱層本體上生長p型鋁鎵氮層。

具體地，p型鋁鎵氮(algan)層可以為alxga1-xn層，0.1＜x＜0.5。

可選地，p型鋁鎵氮層的厚度可以為50～150nm。

步驟206：控制溫度為750～1080℃，壓力為200～500torr，在p型鋁鎵氮層上生長p型氮化鎵層。

可選地，p型氮化鎵層的厚度可以為105～500nm。

步驟207：控制溫度為650～850℃，持續(xù)時間為5～15分鐘，在氮氣氣氛中進行退火處理。

本發(fā)明實施例利用石墨烯的電子密度高，將石墨烯薄膜層設置在相鄰的量子阱和量子壘之間，可以利用石墨烯薄膜層防止量子阱中的銦原子擴散到量子壘中，提高量子阱中銦的有效摻雜，避免銦由于量子阱的生長溫度較高而析出，從而可以采用較高的溫度生長量子阱，提高量子阱的生長質(zhì)量，改善界面極化，提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。而且石墨烯的電導率好，有利于電子和空穴的橫向擴展，避免界面極化，有利于電子和空穴的復合，進一步提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。