发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管

技术领域

本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。

背景技术

发光二极管(Light Emitting Diode)简称LED，作为一种节能环保的新型光源，近年来受到了很大的关注，许多国家将LED相关的半导体照明视作一种战略技术。通过大量研发和实验，半导体照明技术取得了突飞猛进的发展，真正地实现了半导体照明的商业化，各种类型的LED被广泛应用于指示、显示、背光、投射等领域。半导体照明取得的这些成就主要得益于GaN基LED相关技术的进步，相对于其它的材料体系，无论是在效率上还是在可靠性上，GaN基LED都有着明显的优势。

对于AlGaInN材料体系来说，由于电子相比空穴具有更高的迁移率和更小的有效质量，同时电子较容易激活且具有更高的浓度，导致注入到有源区中的电子和空穴浓度及其不匹配，靠近N型半导体层的量子阱几乎不发光，而电子可以轻易的注入到有源区甚至进入到P型半导体层造成电子泄漏。而且，发光二极管获取高质量高空穴浓度的P型材料十分困难，因为在AlGaInN材料体系中，Mg的离化率偏低，导致P型半导体材料中空穴浓度普遍较低。此外，作为发光二极管主要功能层的电子阻挡层，除了会阻挡电子注入至P型层之外，还会起到阻挡空穴注入至有源区的作用，进一步降低有源区中的空穴浓度，导致有源区中电子空穴浓度不匹配的问题更为严峻。因此，为了提高GaN基LED的发光效率，提高P型材料空穴注入效率和改善有源区中的电子空穴匹配度是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管外延片及其制备方法，其可提升发光二极管的发光效率。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种发光二极管，其发光效率高。

为了解决上述问题，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底和依次设于所述衬底上的AlN缓冲层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型GaN层，所述P型电子阻挡层包括依次层叠的第一电子阻挡层、第二电子阻挡层、第三电子阻挡层、第四电子阻挡层和第五电子阻挡层；

其中，所述第一电子阻挡层包括AlN层；

所述第二电子阻挡层为周期性结构，周期数为N，每个周期均包括依次层叠的Al

所述第三电子阻挡层为周期性结构，周期数为O，每个周期均包括依次层叠的Al

所述第四电子阻挡层为周期性结构，周期数为P，每个周期均包括依次层叠的Al

所述第五电子阻挡层为周期性结构，周期数为Q，每个周期均包括依次层叠的Al

N≥O≥P≥Q，x1≥x2≥x3≥x4，y1≤y2≤y3≤y4，c1≤c2≤c3≤c4。

作为上述技术方案的改进，N为2～10，O为2～8，P为1～6，Q为1～4。

作为上述技术方案的改进，x1为0.6～1，x2为0.4～0.8，x3为0.2～0.6，x4为0～0.4。

作为上述技术方案的改进，y1为0～0.03，y2为0.03～0.06，y3为0.06～0.09，y4为0.09～0.15。

作为上述技术方案的改进，c1为1.2×10

作为上述技术方案的改进，所述AlN层的厚度为3nm～30nm；

每个所述Al

每个所述Al

每个所述Al

每个所述Al

作为上述技术方案的改进，H

相应的，本发明还公开了一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的发光二极管外延片，其包括：

提供衬底，在所述衬底上依次生长AlN缓冲层、N型GaN层、应力释放层、多量子阱层、P型电子阻挡层和P型GaN层，所述P型电子阻挡层包括依次层叠的第一电子阻挡层、第二电子阻挡层、第三电子阻挡层、第四电子阻挡层和第五电子阻挡层；

其中，所述第一电子阻挡层包括AlN层；

所述第二电子阻挡层为周期性结构，周期数为N，每个周期均包括依次层叠的Al

所述第三电子阻挡层为周期性结构，周期数为O，每个周期均包括依次层叠的Al

所述第四电子阻挡层为周期性结构，周期数为P，每个周期均包括依次层叠的Al

所述第五电子阻挡层为周期性结构，周期数为Q，每个周期均包括依次层叠的Al

N≥O≥P≥Q，x1≥x2≥x3≥x4，y1≤y2≤y3≤y4，c1≤c2≤c3≤c4。

作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层的生长温度为900℃～1050℃，生长压力为20torr～300torr。。

相应的，本发明还公开了一种发光二极管，其包括上述的发光二极管外延片。

实施本发明，具有如下有益效果：

1.本发明的发光二极管外延片中，P型电子阻挡层包括依次层叠的第一电子阻挡层、第二电子阻挡层、第三电子阻挡层、第四电子阻挡层和第五电子阻挡层，其中，第一电子阻挡层为AlN材料，第二电子阻挡层、第三电子阻挡层、第四电子阻挡层和第五电子阻挡层为周期性依次交替层叠生长的AlGaN/InGaN/GaN多阶材料，且InGaN和GaN材料中掺杂Mg元素，InGaN材料沉积结束后采用H

具体而言，P型电子阻挡层中，高禁带宽度的AlN和AlGaN材料可阻挡电子并降低电子移动速率，防止电子注入到P型GaN层以造成电子泄漏的问题；低禁带宽度的InGaN材料可储备部分空穴，同时还可以减弱对空穴的阻挡作用，以提高P型GaN层的空穴注入效率；InGaN和GaN材料中掺杂Mg元素，且掺杂浓度递增，可向多量子阱层中提供部分空穴，参与发光，进一步提高空穴注入效率，改善多量子阱层中电子和空穴的匹配度，提高二极管的发光效率；InGaN材料沉积结束后采用H

附图说明

图1是本发明一实施例中发光二极管外延片的结构示意图；

图2是本发明一实施例中P型电子阻挡层的结构示意图；

图3是本发明一实施例中第二电子阻挡层的结构示意图；

图4是本发明一实施例中第三电子阻挡层的结构示意图；

图5是本发明一实施例中第四电子阻挡层的结构示意图；

图6是本发明一实施例中第五电子阻挡层的结构示意图；

图7是本发明一实施例中发光二极管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，下面对本发明作进一步地详细描述。

参考图1～图6，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底1和依次设于衬底1上的AlN缓冲层2、N型GaN层3、应力释放层4、多量子阱层5、P型电子阻挡层6和P型GaN层7。

其中，P型电子阻挡层6包括依次层叠的第一电子阻挡层61、第二电子阻挡层62、第三电子阻挡层63、第四电子阻挡层64和第五电子阻挡层65。

其中，第一电子阻挡层61为AlN材料，第二电子阻挡层62、第三电子阻挡层63、第四电子阻挡层64和第五电子阻挡层65为周期性依次交替层叠生长的AlGaN/InGaN/GaN多阶材料，且InGaN和GaN材料中掺杂Mg元素，InGaN材料沉积结束后采用H

其中，第一电子阻挡层61包括AlN层，高禁带宽度的AlN层可阻挡电子并降低电子移动速率，防止电子注入到P型GaN层7以造成电子泄漏的问题。具体的，AlN层的厚度为3nm～40nm，优选的为3nm～30nm，示例性的为5nm、10nm、15nm、20nm或25nm，但不限于此。

其中，第二电子阻挡层62为周期性结构，每个周期均包括依次层叠的Al

具体的，第二电子阻挡层62的周期数为2～12，优选的为2～10，示例性的为3、4、5、6或9，但不限于此。

具体的，Al

具体的，每个Al

具体的，Mg掺In

具体的，Mg掺In

具体的，每个Mg掺In

具体的，Mg掺In

具体的，第一Mg掺GaN层623中Mg的掺杂浓度为c1，c1为1.2×10

具体的，每个第一Mg掺GaN层623的厚度为2nm～10nm，优选的为2nm～8nm，示例性的为3nm、5nm、6nm或7nm，但不限于此。

其中，第三电子阻挡层63为周期性结构，每个周期均包括依次层叠的Al

具体的，Al

具体的，每个Al

具体的，Mg掺In

具体的，Mg掺In

具体的，每个Mg掺In

具体的，Mg掺In

具体的，第二Mg掺GaN层633中Mg的掺杂浓度为c2，c2为3×10

具体的，每个第二Mg掺GaN层633的厚度为2nm～10nm，优选的为2nm～8nm，示例性的为3nm、5nm、6nm或7nm，但不限于此。

其中，第四电子阻挡层64为周期性结构，每个周期均包括依次层叠的Al

具体的，Al

具体的，每个Al

具体的，Mg掺In

具体的，Mg掺In

具体的，每个Mg掺In

具体的，Mg掺In

具体的，第三Mg掺GaN层643中Mg的掺杂浓度为c3，c3为8×10

具体的，每个第三Mg掺GaN层643的厚度为2nm～10nm，优选的为2nm～8nm，示例性的为3nm、5nm、6nm或7nm，但不限于此。

其中，第五电子阻挡层65为周期性结构，每个周期均包括依次层叠的Al

具体的，Al

具体的，每个Al

具体的，Mg掺In

具体的，Mg掺In

具体的，每个Mg掺In

具体的，Mg掺In

具体的，第四Mg掺GaN层653中Mg的掺杂浓度为c4，c4为1×10

具体的，每个第四Mg掺GaN层653的厚度为2nm～10nm，优选的为2nm～8nm，示例性的为3nm、5nm、6nm或7nm，但不限于此。

其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底或SiC衬底，但不限于此。优选的为硅衬底。

其中，AlN缓冲层2的厚度为50nm～200nm，示例性的为75nm、90nm、100nm、125nm、150nm或175nm，但不限于此。

其中，N型GaN层3的掺杂元素为Si，但不限于此。N型GaN层3的掺杂浓度为3.2×10

其中，应力释放层4为周期性结构，周期数为4～8，每个周期均包括依次层叠的InGaN层和Si掺GaN层。Si掺GaN层的掺杂浓度为3.2×10

其中，多量子阱层5为交替堆叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，周期数为6～12。InGaN量子阱层中In组分的占比为0.25～0.4，单个InGaN量子阱层的厚度为2nm～5nm，单个GaN量子垒层的厚度为8nm～20nm。

其中，P型GaN层7的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN层7中Mg的掺杂浓度为6.8×10

相应的，参考图7，本发明还公开了一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备上述的发光二极管外延片，其包括以下步骤：

S100：提供衬底；

S200：在衬底上生长AlN缓冲层；

具体的，可采用磁控溅射法(PVD)生长AlN缓冲层，生长温度为500℃～600℃，功率为3000W～5000W，生长时，以Ar为溅射气体，以N

S300：在AlN缓冲层上生长N型GaN层；

具体的，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1150℃～1200℃，生长压力为200torr～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

S400：在N型GaN层上生长应力释放层；

具体的，在MOCVD中周期性生长InGaN层和Si掺GaN层，以形成应力释放层。其中，InGaN层的生长温度为750℃～850℃，生长压力为100torr～200torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH

S500：在应力释放层上生长多量子阱层；

具体的，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层，以形成多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为700℃～750℃，生长压力为100torr～150torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH

S600：在多量子阱层上生长P型电子阻挡层；

具体的，在本发明的一个实施例之中，S600包括以下步骤：

S610：在多量子阱层上生长第一电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中生长AlN层，作为第一电子阻挡层。生长温度为900℃～1050℃，生长压力为20torr～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

S620：在第一电子阻挡层上生长第二电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性依次层叠生长Al

其中，Mg掺In

其中，第一Mg掺GaN层的生长温度为900℃～1050℃，生长压力为20torr～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

S630：在第二电子阻挡层上生长第三电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性依次层叠生长Al

其中，Mg掺In

其中，第二Mg掺GaN层的生长温度为900℃～1050℃，生长压力为20torr～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

S640：在第三电子阻挡层上生长第四电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性依次层叠生长Al

其中，Mg掺In

其中，第三Mg掺GaN层的生长温度为900℃～1050℃，生长压力为20torr～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

S650：在第四电子阻挡层上生长第五电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性依次层叠生长Al

其中，Mg掺In

其中，第四Mg掺GaN层的生长温度为900℃～1050℃，生长压力为20torr～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

S700：在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；

具体的，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为920℃～1000℃，生长压力为300torr～500torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：

实施例1

本实施例提供一种发光二极管外延片，参考图1～图6，其包括衬底1和依次设于衬底1上的AlN缓冲层2、N型GaN层3、应力释放层4、多量子阱层5、P型电子阻挡层6和P型GaN层7。

其中，衬底1为硅衬底，AlN缓冲层2的厚度为90nm。N型GaN层3的厚度为1.6μm，掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为1×10

其中，应力释放层4为周期性结构，周期数为6，每个周期均包括依次层叠的InGaN层和Si掺GaN层。Si掺GaN层的掺杂浓度为4.5×10

其中，多量子阱层5为周期性结构，周期数为10，每个周期为依次层叠的InGaN量子阱层71和GaN量子垒层72，InGaN量子阱层中In组分的占比为0.3，单个InGaN量子阱层71的厚度为3nm，单个GaN量子垒层72的厚度为10nm。

其中，P型电子阻挡层6包括依次层叠的第一电子阻挡层61、第二电子阻挡层62、第三电子阻挡层63、第四电子阻挡层64和第五电子阻挡层65。

其中，第一电子阻挡层61为AlN层，AlN层的厚度为40nm。

其中，第二电子阻挡层62为周期性结构，周期数为12，每个周期均包括依次层叠的Al

其中，第三电子阻挡层63为周期性结构，周期数为10，每个周期均包括依次层叠的Al

其中，第四电子阻挡层64为周期性结构，周期数为8，每个周期均包括依次层叠的Al

其中，第五电子阻挡层65为周期性结构，周期数为6，每个周期均包括依次层叠的Al

P型GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为8×10

本实施例中用于发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：

(1)提供衬底；

(2)在衬底上生长AlN缓冲层；

其中，采用磁控溅射法(PVD)生长AlN缓冲层，生长温度为600℃，功率为5000W，以Ar为溅射气体，以N

(3)在AlN缓冲层上生长N型GaN层；

其中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1160℃，生长压力为250torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

(4)在N型GaN层上生长应力释放层；

其中，在MOCVD中周期性生长InGaN层和Si掺GaN层，以形成应力释放层。其中，InGaN层的生长温度为800℃，生长压力为150torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH

(5)在应力释放层上生长多量子阱层；

其中，在MOCVD中周期性生长InGaN量子阱层和GaN量子垒层，以形成多量子阱层。其中，InGaN量子阱层的生长温度为710℃，生长压力为120torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH

(6)在多量子阱层上生长P型电子阻挡层；

具体的，生长P型电子阻挡层包括以下步骤：

(Ⅰ)在在多量子阱层上生长第一电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中生长AlN层，作为第一电子阻挡层。生长温度为1000℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

(Ⅱ)在第一电子阻挡层上生长第二电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性依次层叠生长Al

其中，Mg掺In

其中，第一Mg掺GaN层的生长温度为1000℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

(Ⅲ)在第二电子阻挡层上生长第三电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性依次层叠生长Al

其中，Mg掺In

其中，第二Mg掺GaN层的生长温度为1000℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

(Ⅳ)在第三电子阻挡层上生长第四电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性依次层叠生长Al

其中，Mg掺In

其中，第三Mg掺GaN层的生长温度为1000℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

(Ⅴ)在第四电子阻挡层上生长第五电子阻挡层；

具体的，在MOCVD中周期性依次层叠生长Al

其中，Mg掺In

其中，第四Mg掺GaN层的生长温度为1000℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

(7)在P型电子阻挡层上生长P型GaN层；

其中，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为950℃，生长压力为400torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH

实施例2

本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于，第二电子阻挡层62的周期数为6，第三电子阻挡层63的周期数为5，第四电子阻挡层64的周期数为3，第五电子阻挡层65的周期数为2。其余均与实施例1相同。

实施例3

本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例2的区别在于，x1为0.8，x2为0.6，x3为0.4，x2为0.2。其余均与实施例2相同。

实施例4

本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例3的区别在于，y1为0.015，y2为0.045，y3为0.075，y4为0.12。其余均与实施例3相同。

实施例5

本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例4的区别在于，Mg掺In

实施例6

本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例5的区别在于，AlN层的厚度为20nm；第二电子阻挡层62中，单个Al

实施例7

本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例6的区别在于，对于Mg掺In

对比例1

本对比例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于，P型电子阻挡层6为AlGaN层，Al组分的占比为0.5，其厚度为120nm。相应的，在制备方法中，AlGaN层生长温度为950℃，生长压力为200torr。其余均与实施例1相同。

对比例2

本对比例提供一种发光二极管外延片，其与实施例1的区别在于，P型电子阻挡层6中不包括第三电子阻挡层63、第四电子阻挡层64和第五电子阻挡层65，第二电子阻挡层62的周期数为36。相应的，在制备方法中，不包含制备上述三层的步骤。其余均与实施例1相同。

将实施例1～实施例7，对比例1～对比例2所得的发光二极管外延片进行测试，具体测试方法如下：

将外延片制备成10mil×24mil尺寸的芯片，在120mA/60mA电流下测试其发光亮度。

具体结果如下：

由表中可以看出，当将传统的电子阻挡层层结构(对比例1)中变为本发明的P型电子阻挡层结构时，发光亮度由193.63mW提升至195.86mW，表明本发明的P型电子阻挡层可提高发光效率。

此外，通过实施例1与对比例2的对比可以看出，当变更本发明中的P型电子阻挡层结构时，难以有效起到提升亮度的效果。

以上所述是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。