CN115172555A - 高光效发光二极管的外延片及其制备方法、发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光效发光二极管的外延片及其制备方法、发光二极管，涉及半导体光电器件领域。其中，高光效发光二极管的外延片包括衬底和依次沉积于衬底上的缓冲层、U‑GaN层、N‑GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P‑GaN层；电子阻挡层和P‑GaN层之间还设有依次沉积于所述电子阻挡层上的BN势垒层、InxGa1‑xN势阱层和ByInzGa1‑y‑zN势垒层；其中，x为0.01‑0.2，y为0.05‑0.5，z为0.01‑0.1。实施本发明，可有效提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种高光效发光二极管的外延片及其制备方法、发光二极管。
背景技术
发光二极管的发光效率与载流子在量子阱中的辐射复合效率息息相关，但是由于N型掺杂较P型掺杂容易得多，因此发光二极管的电子浓度远远高于空穴浓度。再者，由于空穴的有效质量较大，迁移率较低，并且P型掺杂有效活化Mg浓度较低，产生的空穴浓度也较低，这就导致发光二极管的发光效率与P型GaN层产生的空穴密切相关。目前外延结构主要是P型GaN层通过重掺杂Mg的方式来提高Mg浓度，以产生足够的空穴与电子在量子阱复合发光。但这种方式依然效果较差，这主要是因为：首先Mg的激活能较高，因此活化的Mg浓度较低，产生空穴数量较少。其次P型GaN生长时通常通入N并且Mg浓度较高时形成Mg-N络合物，这些络合物物均表现出施主的特性，这样就会产生严重的自补偿效应，反而降低空穴浓度。最后，由于空穴的有效质量大，迁移率低导致空穴注入效率较低，影响GaN基发光二极管的发光效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高光效发光二极管的外延片及其制备方法，其可有效提升空穴浓度，进而提高空穴与电子的复合效率，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，其光效高。
为了解决上述问题，本发明公开了一种高光效发光二极管的外延片，包括衬底和依次沉积于所述衬底上的缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层；所述电子阻挡层和所述P-GaN层之间还设有依次沉积于所述电子阻挡层上的BN势垒层、InxGa1-xN势阱层和ByInzGa1-y-zN势垒层；其中，x为0.01-0.2，y为0.05-0.5，z为0.01-0.1。
作为上述技术方案的改进，所述BN势垒层的厚度为2-20nm，所述InxGa1-xN势阱层的厚度为1-10nm，所述ByInzGa1-y-zN势垒层的厚度为2-20nm。
作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层和所述BN势垒层之间沉积有P型GaN空穴扩展层，所述P型GaN空穴扩展层中Mg的掺杂浓度小于所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度，所述P型GaN空穴扩展层的厚度为5-50nm；
所述ByInzGa1-y-zN势垒层和所述P-GaN层之间沉积有GaN填平层，所述GaN填平层的厚度为5-50nm。
作为上述技术方案的改进，所述P型GaN空穴扩展层中Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3，所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度为5×1018-1×1020cm-3。
作为上述技术方案的改进，所述P-GaN层为In掺杂P-GaN层，其中，In组分的占比为0.01-0.1；所述P-GaN层的厚度为5-50nm。
相应的，本发明还公开了一种高光效发光二极管的外延片的制备方法，用于制备上述的高光效发光二极管的外延片，其包括：
提供衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、BN势垒层、InxGa1-xN势阱层、ByInzGa1-y-zN势垒层和P-GaN层；
其中，x为0.01-0.2，y为0.05-0.5，z为0.01-0.1。
作为上述技术方案的改进，所述BN势垒层、所述InxGa1-xN势阱层的生长温度大于所述ByInzGa1-y-zN势垒层的生长温度，所述P-GaN层的生长温度大于所述ByInzGa1-y-zN势垒层的生长温度；
所述BN势垒层、所述InxGa1-xN势阱层、所述ByInzGa1-y-zN势垒层的生长气氛为NH3和N2的混合气体，两者的体积比（NH3：N2）为1：（0.5~2）；所述P-GaN层的生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体，三者的体积比（NH3：N2：H2）为（5~10）：1：（10~20）。
作为上述技术方案的改进，所述BN势垒层、所述InxGa1-xN势阱层的生长温度为850-900℃，生长压力为100-300torr；
所述ByInzGa1-y-zN势垒层的生长温度为800-850℃，生长压力为100-300torr；
所述P-GaN层的生长温度为900-1000℃，生长压力为100-300torr。
作为上述技术方案的改进，在所述衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN空穴扩展层、BN势垒层、InxGa1-xN势阱层、ByInzGa1-y-zN势垒层、GaN填平层和P-GaN层；
其中，所述P型GaN空穴扩展层的生长温度为850-900℃，生长压力为100-300torr，生长气氛为NH3和N2的混合气体，两者的体积比（NH3：N2）为1：（0.5~2）；
所述GaN填平层的生长温度为900-1000℃，生长压力为100-300torr，生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体，三者的体积比（NH3：N2：H2）为（5~10）：1：（10~20）。
实施本发明，具有如下有益效果：
1. 本发明的高光效发光二极管的外延片，在电子阻挡层与P-GaN层之间依次设置了BN势垒层、InxGa1-xN势阱层和ByInzGa1-y-zN势垒层。首先，BN势垒层、InxGa1-xN势阱层和ByInzGa1-y-zN势垒层可形成高低高的能带，能够有效地将空穴存储于InxGa1-xN势阱层中，提高空穴浓度；其次，BN能带较高，可以限制空穴从InxGa1-xN势阱层流出，ByInzGa1-y-zN势垒层中掺杂的B、In可调制能带，促进空穴流入InxGa1-xN势阱层中。最后，BN势垒层、InxGa1-xN势阱层和ByInzGa1-y-zN势垒层可以形成二维空穴气，提升空穴的注入效率。以上三者综合，有效提升了基于该外延片的发光二极管的发光效率。
2. 本发明的高光效发光二极管的外延片，在电子阻挡层与BN势垒层之间设置了P型GaN空穴扩展层，其Mg掺杂浓度低于P-GaN层的Mg掺杂浓度。这种P型GaN空穴扩展层可保证空穴均匀注入多量子阱层之中，提升了空穴传输效率，有效提升了基于该外延片的发光二极管的发光效率。
3. 本发明的高光效发光二极管的外延片，在ByInzGa1-y-zN势垒层和P-GaN层之间设置了GaN填平层，其可填平GaN异质外延产生的V型坑，提升发光效率。
4. 本发明的高光效发光二极管的外延片，在P-GaN层中引入了In掺杂，其可降低Mg的激活能，提高活化Mg浓度，提高空穴浓度。
附图说明
图1是本发明一实施例中高光效发光二极管的外延片的结构示意图；
图2是本发明另一实施例中高光效发光二极管的外延片的结构示意图；
图3是本发明又一实施例中高光效发光二极管的外延片的结构示意图；
图4是本发明一实施例中高光效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，下面对本发明作进一步地详细描述。
参考图1，本发明公开了一种发光二极管外延片，包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、BN势垒层7、InxGa1-xN势阱层8和ByInzGa1-y-zN势垒层9和P-GaN层10。基于上述结构，首先，BN势垒层7、InxGa1-xN势阱层8和ByInzGa1-y-zN势垒层9可形成高低高的能带，能够有效地将空穴存储于InxGa1-xN势阱层8中，提高空穴浓度；其次，BN能带较高，可以限制空穴从InxGa1-xN势阱层8流出，ByInzGa1-y-zN势垒层9中掺杂的B、In可调制能带，促进空穴流入InxGa1-xN势阱层8中。最后，BN势垒层7、InxGa1- xN势阱层8和ByInzGa1-y-zN势垒层9可以形成二维空穴气，提升空穴的注入效率。以上三者综合，有效提升了基于该外延片的发光二极管的发光效率。
具体的，BN势垒层7的厚度为2-20nm。若其厚度＜2nm，难以有效限制空穴从InxGa1-xN势阱层8流出，且无法形成二维空穴气；若其厚度＞20nm，则会提升发光二极管的工作电压，不利于提升发光效率。示例性的，BN势垒层7的厚度为4nm、6nm、8nm、11nm、14nm、17nm或19nm，但不限于此。
具体的，InxGa1-xN势阱层8中，In可起到吸引空穴的粘土效应，从而使得InxGa1-xN势阱层8起到存储空穴的作用。具体的，In组分的占比（即x）为0.01-0.2，当x＜0.01时，难以起到存储空穴的作用；当x＞0.2时，空穴难以有效脱离InxGa1-xN势阱层8，难以进入多量子阱层5与电子复合。即当In组分过大或过小时，都难以起到提升光效的作用。示例性的，x为0.04、0.06、0.09、0.11、0.14、0.16或0.18，但不限于此。优选的，x为0.12-0.18。
具体的，InxGa1-xN势阱层8的厚度为1-10nm，当其厚度＜1nm时，难以有效存储空穴；当其厚度＞10nm时，提升LED工作电压，不利于提升发光效率。示例性的，InxGa1-xN势阱层8的厚度为1nm、3nm、5nm、6nm、或8nm，但不限于此。
具体的，ByInzGa1-y-zN势垒层9中掺杂的B、In可调制能带，促进空穴流入InxGa1-xN势阱层8中。具体的，B组分的占比（即y）为0.05-0.5，当y＜0.05时，ByInzGa1-y-zN势垒层9的能带过高，阻碍了P-GaN层中空穴的流入；当y＞0.5时，ByInzGa1-y-zN势垒层9的能带较低，难以促进空穴流入InxGa1-xN势阱层8中。示例性的，y为0.08、0.1、0.11、0.14、0.18、0.24、0.29、0.33、0.38、0.42或0.45，但不限于此。优选的，y为0.15-0.25，当B组分在该含量范围时，可较好地提升发光效率。具体的In组分的占比（即z）为0.01-0.1，当z＜0.01时，ByInzGa1-y-zN势垒层9的能带较低，难以促进空穴流入InxGa1-xN势阱层8中；当z＞0.1时，ByInzGa1-y-zN势垒层9的能带过高，阻碍了P-GaN层中空穴的流入。示例性的，z为0.02、0.04、0.06、0.08或0.09，但不限于此。优选的z为0.04-0.08。
具体的，ByInzGa1-y-zN势垒层9的厚度为2-20nm。若其厚度＜2nm，难以有效限制空穴从InxGa1-xN势阱层8流出，且无法形成二维空穴气；若其厚度＞20nm，则会提升LED工作电压，不利于提升发光效率。示例性的，ByInzGa1-y-zN势垒层9的厚度为3nm、5nm、9nm、11nm、14nm、17nm或19nm，但不限于此。
其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底，但不限于此。
其中，缓冲层2可为AlN层和/或GaN层，但不限于此；优选的，缓冲层2为AlN层，其可有效控制晶体缺陷，改善后续生长晶体的质量，缓解衬底与其他层之间由于晶格失配和热失配引起的应力。缓冲层2的厚度为10-50nm，示例性的为15nm、21nm、24nm、32nm、34nm、38nm、40nm、42nm、45nm或47nm，但不限于此。
其中，U-GaN层3的生长温度较高，压力较低，晶体质量较优；同时随着U-GaN层3厚度的增加，压应力会通过堆垛层错释放，线缺陷减少，晶体质量提高，反向漏电降低；但提高U-GaN层3的厚度对Ga源材料消耗较大，大大提高了发光二极管的外延成本。故控制U-GaN层3的厚度1-5μm，示例性的为1.2μm、1.7μm、2.3μm、2.8μm、3.4μm、3.9μm或4.2μm，但不限于此。
其中，N-GaN层4的掺杂元素为Si，但不限于此。N-GaN层4的掺杂浓度为1×1019-5×1019cm-3，其厚度为1-3μm，示例性的为1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2.4μm、2.6μm、2.8μm或2.9μm，但不限于此。
其中，多量子阱层5为多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层形成的周期性结构，其周期数为6-12。通过该结构的多量子阱层5，可显著增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高发光二极管的发光效率。具体的，单个InGaN阱层的厚度为2-5nm，其In组分占比为0.2~0.3；单个AlGaN垒层的厚度为5-15nm，其Al组分占比为0.01-0.1。
其中，电子阻挡层6为AlInGaN层，或AlGaN层与InGaN层组成的超晶格结构，但不限于此。优选的，电子阻挡层为AlαInβGa1-α-βN层，其中，α为0.005-0.1，β为0.01-0.2。进一步优选的，α随着电子阻挡层厚度的增长逐渐增大，基于上述结构，既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。具体的，电子阻挡层6的厚度为10-40nm，示例性的为12nm、18nm、22nm、26nm、30nm或35nm，但不限于此。
其中，P-GaN层10中的掺杂元素为Mg，但不限于此。P-GaN层10中Mg的掺杂浓度为5×1018-1×1020cm-3，P-GaN层10的厚度为20-100nm。示例性的为23nm、35nm、44nm、56nm、64nm、74nm、82nm或93nm，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例之中，P-GaN层10为In掺杂P-GaN层。其中，In组分的占比为0.01-0.1，In的引入可有效提升Mg的掺杂浓度（1×1019-1×1020cm-3），降低Mg的激活能，提高活化Mg浓度，提高空穴浓度。此外，引入In也有效降低了P-GaN层10的厚度（5-50nm），从而降低了P-GaN层10的吸光量，提升了发光效率。
优选的，参考图2，在本发明的一个实施例中，在电子阻挡层6和BN势垒层7之间沉积有P型GaN空穴扩展层11。具体的，P型GaN空穴扩展层11中的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN空穴扩展层11中Mg的掺杂浓度小于P-GaN层10中Mg的掺杂浓度。基于这种组成的P型GaN空穴扩展层11，可保证空穴均匀注入多量子阱层之中，也提升了空穴传输效率，有效提升了基于该外延片的发光二极管的发光效率。具体的，P型GaN空穴扩展层11中Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3；当Mg的掺杂浓度＜1×1017cm-3时，空穴传输的均匀性较差（即扩展性能差）；当Mg的掺杂浓度＞1×1018cm-3时，空穴注入速率过快，起不到传输空穴的作用。
具体的，P型GaN空穴扩展层11的厚度为5-50nm，当其厚度＜5nm时，空穴传输的均匀性较差（即扩展性能差）；当其厚度＞50nm时，对空穴的阻碍作用过强，影响空穴的传输效率。示例性的，P型GaN空穴扩展层11的厚度为7nm、12nm、17nm、22nm、33nm、42nm或47nm，但不限于此。
优选的，参考图3，在本发明的一个实施例中，在ByInzGa1-y-zN势垒层9和P-GaN层10之间沉积有GaN填平层12，其可填平因GaN异质外延产生的V型坑，提升发光效率。具体的，GaN填平层12的厚度为5-50nm。示例性的为8nm、14nm、17nm、25nm、32nm、45nm或47nm，但不限于此。
相应的，参考图4，本申请还公开了一种发光二极管外延片的制备方法，其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；
具体的，该初底为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底，但不限于此。优选的为图形化蓝宝石衬底。
S200：在衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、BN势垒层、InxGa1-xN势阱层、ByInzGa1-y-zN势垒层和P-GaN层；
具体的，S200包括：
S201：在衬底上生长缓冲层；
具体的，可通过MOCVD或PVD沉积缓冲层。优选的，在PVD中沉积AlN层作为缓冲层。
优选的，在本发明的一个实施例之中，缓冲层生长完成后对衬底进行预处理，具体的包括：将衬底加载至MOCVD中，在H2气氛下对衬底处理1-10min，处理温度为1000-1200℃，然后氮化处理。
S202：在缓冲层上生长U-GaN层；
具体地，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积U-GaN层，其中，生长温度为1050-1200℃，生长压力为100-600torr。具体的，在生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，NH3作为N源。
S203：在U-GaN层上生长N-GaN层；
具体的，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积N-GaN层，其中，生长温度为1050℃-1200℃，生长压力100-600torr。在生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，NH3作为N源，SiH4作为Si源。
S204：在N-GaN层上生长多量子阱层；
其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积多量子阱层。具体的，在N-GaN层上交替生长InGaN阱层和AlGaN垒层，重复预设个周期，即得到多量子阱层。其中，InGaN阱层的生长温度为790-810℃，生长压力50-300torr，AlGaN垒层的生长温度为800-900℃，生长压力50-300torr。具体的，在生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，TMIn作为In源，TMAl作为Al源，NH3作为N源。
S205：在多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积电子阻挡层，其生长温度为900-1000℃，生长压力100-300torr。在生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，TMIn作为In源，TMAl作为Al源，NH3作为N源。
S206：在电子阻挡层上生长P型GaN空穴扩展层；
其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积P型GaN空穴扩展层，其生长温度为850-950℃，生长压力100-300torr。本发明中P型GaN空穴扩展层的生长温度较高，有利于提升晶体质量。
具体的，在本实施中的生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，NH3作为N源，CP2Mg作为Mg源。
优选的，本实施例的P型GaN空穴扩展层的生长过程中，生长气氛为NH3和N2的混合气体，但不含有H2；具体的，NH3与N2的体积比为1：（0.5~2），示例性的为1:0.6、1:0.8、1:1、1:1.3、1:1.5或1:1.8，但不限于此。
S207：在P型GaN空穴扩展层上生长BN势垒层；
其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积BN势垒层，其生长温度为850-950℃，生长压力100-300torr。本发明中BN势垒层的生长温度较高，有利于提升晶体质量。
具体的，在本实施中的BN势垒层的生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2的混合气体作为载气，以BH3作为B源，NH3作为N源。
优选的，在本实施中的BN势垒层的沉积过程中，生长气氛为NH3和N2的混合气体，但不含有H2，这有效防止了B与H2发生副反应，降低B的掺入浓度。具体的，NH3与N2的体积比为1：（0.5~2），示例性的为1:0.6、1:0.8、1:1、1:1.3、1:1.5或1:1.8，但不限于此。
S208：在BN势垒层上生长InxGa1-xN势阱层；
其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积InxGa1-xN势阱层，其生长温度为800-850℃，生长压力100-300torr。本发明中InxGa1-xN势阱层的生长温度较低，有利于保证In掺杂组分浓度稳定。
具体的，在本实施中的InxGa1-xN势阱层的生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH3作为N源。
优选的，在本实施中的InxGa1-xN势阱层的沉积过程中，生长气氛为NH3和N2的混合气体，但不含有H2，这有效防止了In与H2发生副反应，降低In的掺入浓度。具体的，NH3与N2的体积比为1：（0.5~2），示例性的为1:0.6、1:0.8、1:1、1:1.3、1:1.5或1:1.8，但不限于此。
S209：在InxGa1-xN势阱层上生长ByInzGa1-y-zN势垒层；
其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积ByInzGa1-y-zN势垒层，其生长温度为850-950℃，生长压力100-300torr。本发明中ByInzGa1-y-zN势垒层的生长温度较高，有利于提升晶体质量。
具体的，在本实施中的ByInzGa1-y-zN势垒层的生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，TMIn作为In源，BH3作为B源，NH3作为N源。
优选的，在本实施中的ByInzGa1-y-zN势垒层的沉积过程中，生长气氛为NH3和N2的混合气体，但不含有H2，这就有效防止了In、B与H2发生副反应，降低In、B的掺入浓度。具体的，NH3与N2的体积比为1：（0.5~2），示例性的为1:0.6、1:0.8、1:1、1:1.3、1:1.5或1:1.8，但不限于此。
S210：在ByInzGa1-y-zN势垒层上生长GaN填平层；
其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积GaN填平层，其生长温度为900-100℃，生长压力100-300torr。本发明中GaN填平层的生长温度较高，这有利于其侧向生长，有利于V型坑的填平。
具体的，在本实施中的生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，NH3作为N源。
优选的，在本实施例的GaN填平层的生长过程中，生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体，这提升了GaN填平层的晶体质量，提高了其原子迁移率，使得其更容易填平V型坑。具体的，NH3、N2和H2的体积比为（5~10）：1：（10~20），示例性的为6：1:11、7:1:20、8:1:13、9:1:15、8：1:15，但不限于此。
S211：在GaN填平层上生长P-GaN层；
其中，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中沉积P-GaN层，其生长温度为900-1000℃，生长压力100-300torr。本发明中P-GaN层的生长温度较高，这有利于提升其晶体质量。
具体的，在本实施中的生长过程中，以N2作为载气，或以N2和H2作为载气，以TMGa或TEGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH3作为N源，CP2Mg作为Mg源。
优选的，在本实施例的P-GaN层的生长过程中，生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体，这提升了提高了原子迁移率，提升了Mg掺杂浓度。具体的，NH3、N2和H2的体积比为（5~10）：1：（10~20），示例性的为6：1:11、7:1:20、8:1:13、9:1:15、8：1:15，但不限于此。
需要说明的是，在本发明的实施例中，在P型GaN空穴扩展层、BN势垒层、InxGa1-xN势阱层、ByInzGa1-y-zN势垒层、GaN填平层和P-GaN层的生长过程中，均采用100-300torr的低压，这也提高了原子迁移率，提升了各层的晶体质量。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实施例提供一种高光效发光二极管的外延片，参考图1、其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、BN势垒层7、InxGa1-xN势阱层8、ByInzGa1-y-zN势垒层9和P-GaN层10。
其中，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2为AlN层，其厚度为15nm，U-GaN层3的厚度2.5μm。N-GaN层4中Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3，其厚度为2.8μm。
其中，多量子阱层5为多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层形成的周期数为10的周期性结构。单个InGaN阱层的厚度为3.5nm，单个AlGaN垒层的厚度为9.8nm。具体的，InGaN阱层中In组分占比为0.22，AlGaN垒层中Al组分的占比为0.05。
其中，电子阻挡层6为AlαInβGa1-α-βN层，其中，α为0.01-0.05，其随厚度呈渐变分布，β为0.01。电子阻挡层6的厚度为15nm。
其中，BN势垒层7的厚度为10nm，InxGa1-xN势阱层8厚度为3.2nm，ByInzGa1-y-zN势垒层9的厚度为15nm，x=0.02，y=0.05，z=0.02。
其中，P-GaN层10中Mg的掺杂浓度为8.5×1018cm-3，厚度为85nm。
本实施例中高光效发光二极管的外延片的制备方法为：
（1）提供衬底；
具体的，提供织构化蓝宝石衬底；
（2）在衬底上生长缓冲层；
具体的，采用PVD沉积15nm厚的AlN层，然后将衬底加载至MOCVD中，在H2气氛、1100℃下处理5min，再氮化处理。
（3）在缓冲层上生长U-GaN层；
具体地，生长温度为1100℃，生长压力为150torr，以N2和H2做载气，TMGa作为Ga源，NH3作为N源。
（4）在U-GaN层上生长N-GaN层；
具体的，生长温度为1120℃，生长压力为100torr，以N2和H2做载气，TMGa作为Ga源，NH3作为N源，SiH4作为Si源。
（5）在N-GaN层上生长多量子阱层；
具体的，InGaN阱层的生长温度为795℃，生长压力200torr，以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，TMAl作为Al源，NH3作为N源。AlGaN垒层的生长温度为855℃，生长压力200torr，以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMAl作为Al源，NH3作为N源。周期性循环多次，即得到多量子阱层。
（6）在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，生长温度为965℃，生长压力为200torr，以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，TMAl作为Al源，NH3作为N源。
（7）在电子阻挡层上生长BN势垒层；
具体的，生长温度为870℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3和N2的混合气体（两者比例为1:1），以N2作为载气，以BH3作为B源，NH3作为N源。
（8）在BN势垒层上生长InxGa1-xN势阱层；
其中，生长温度为830℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3和N2的混合气体（两者比例为1:1），以N2作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH3作为N源。
（9）在InxGa1-xN势阱层上生长ByInzGa1-y-zN势垒层；
具体的，生长温度为830℃，生长压力200torr，以N2作为载气，生长气氛为NH3和N2的混合气体（两者比例为1:1），以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，BH3作为B源，NH3作为N源。
（10）在ByInzGa1-y-zN势垒层上生长P-GaN层；
具体的，生长温度为970℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体（三者比例为6:1:12），以N2和H2作为载气，以TMGa作为Ga源，NH3作为N源，CP2Mg作为Mg源。
实施例2
本实施例提供一种高光效发光二极管的外延片，其与实施例1的区别在于，x=0.15，y=0.2，z=0.05，其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种高光效发光二极管的外延片，参考图3，其包括衬底1和依次沉积于衬底1上的缓冲层2、U-GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6、BN势垒层7、P型GaN空穴扩展层11、InxGa1-xN势阱层8、ByInzGa1-y-zN势垒层9、GaN填平层12和P-GaN层10。
其中，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2为AlN层，其厚度为15nm，U-GaN层3的厚度2.5μm。N-GaN层4中Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3，其厚度为2.8μm。
其中，多量子阱层5为多个InGaN阱层和多个AlGaN垒层形成的周期数为10的周期性结构。单个InGaN阱层的厚度为3.5nm，单个AlGaN垒层的厚度为9.8nm。具体的，InGaN阱层中In组分占比为0.22，AlGaN垒层中Al组分的占比为0.05。
其中，电子阻挡层6为AlαInβGa1-α-βN层，其中，α为0.01-0.05，其随厚度呈渐变分布，β为0.01。电子阻挡层6的厚度为15nm。
其中，BN势垒层7的厚度为10nm，P型GaN空穴扩展层11中Mg的掺杂浓度为5×1018cm-3，其厚度为20nm，InxGa1-xN势阱层8厚度为3.2nm，ByInzGa1-y-zN势垒层9的厚度为15nm，x=0.15，y=0.2，z=0.05。GaN填平层12的厚度为10nm。其中，P-GaN层10中Mg的掺杂浓度为8.5×1018cm-3，厚度为85nm。
本实施例中高光效发光二极管的外延片的制备方法包括如下步骤：
（1）提供衬底；
具体的，提供织构化蓝宝石衬底；
（2）在衬底上生长缓冲层；
具体的，采用PVD沉积15nm厚的AlN层，然后将衬底加载至MOCVD中，在H2气氛、1100℃下处理5min，再氮化处理。
（3）在缓冲层上生长U-GaN层；
具体地，生长温度为1100℃，生长压力为150torr，以N2和H2做载气，TMGa作为Ga源，NH3作为N源。
（4）在U-GaN层上生长N-GaN层；
具体的，生长温度为1120℃，生长压力为100torr，以N2和H2做载气，TMGa作为Ga源，NH3作为N源，SiH4作为Si源。
（5）在N-GaN层上生长多量子阱层；
具体的，InGaN阱层的生长温度为795℃，生长压力200torr，以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，TMAl作为Al源，NH3作为N源。AlGaN垒层的生长温度为855℃，生长压力200torr，以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMAl作为Al源，NH3作为N源。周期性循环多次，即得到多量子阱层。
（6）在多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，生长温度为965℃，生长压力为200torr，以N2和H2的混合气体作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，TMAl作为Al源，NH3作为N源。
（7）在电子阻挡层上生长P型GaN空穴扩展层；
具体的，生长温度为870℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3和N2的混合气体（两者比例为1:1），以N2作为载气，以TMGa作为Ga源，NH3作为N源，CP2Mg作为Mg源。
（8）在P型GaN空穴扩展层上生长BN势垒层；
具体的，生长温度为870℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3和N2的混合气体（两者比例为1:1），以N2作为载气，以BH3作为B源，NH3作为N源。
（9）在BN势垒层上生长InxGa1-xN势阱层；
其中，生长温度为830℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3和N2的混合气体（两者比例为1:1），以N2作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，NH3作为N源。
（10）在InxGa1-xN势阱层上生长ByInzGa1-y-zN势垒层；
具体的，生长温度为830℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3和N2的混合气体（两者比例为1:1），以N2作为载气，以TMGa作为Ga源，TMIn作为In源，BH3作为B源，NH3作为N源。
（11）在ByInzGa1-y-zN势垒层上生长GaN填平层；
具体的，生长温度为970℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体（三者比例为6:1:12），以N2和H2作为载气，以TMGa作为Ga源。
（12）在GaN填平层上生长P-GaN层；
具体的，生长温度为970℃，生长压力200torr，生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体（三者比例为6:1:12），以N2和H2作为载气，以TMGa作为Ga源，NH3作为N源，CP2Mg作为Mg源。
实施例4
本实施例提供一种高光效发光二极管的外延片，其与实施例3的区别在于，P-GaN层10中掺杂In，其In组分的占比为0.08。在步骤（12）中，通入TMIn作为In源。其余均与实施例3相同。
实施例5
本实施例提供一种高光效发光二极管的外延片，其与实施例4的区别在于，P-GaN层10中Mg的掺杂浓度为5×1019cm-3，其余均与实施例4相同。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，不设置BN势垒层7、InxGa1-xN势阱层8、ByInzGa1-y- zN势垒层9，P-GaN层10的厚度为280nm。
将实施例1-5、对比例1使用相同的发光二极管工艺条件制备成10mil*24mil发光二极管，每个实施例、对比例各制备300颗发光二极管，在120mA/60mA电流下测试，并以对比例1为基准，计算各实施例中光效的提升率，具体的计算结果如下表：
由表中可以看出，当在外延结构中引入了BN势垒层、InxGa1-xN势阱层和ByInzGa1-y- zN势垒层之后，有效提升了发光效率。
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。
Claims (10)
1.一种高光效发光二极管的外延片，包括衬底和依次沉积于所述衬底上的缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P-GaN层；其特征在于，所述电子阻挡层和所述P-GaN层之间还设有依次沉积于所述电子阻挡层上的BN势垒层、InxGa1-xN势阱层和ByInzGa1-y-zN势垒层；其中，x为0.01-0.2，y为0.05-0.5，z为0.01-0.1。
2.如权利要求1所述的高光效发光二极管的外延片，其特征在于，所述BN势垒层的厚度为2-20nm，所述InxGa1-xN势阱层的厚度为1-10nm，所述ByInzGa1-y-zN势垒层的厚度为2-20nm。
3.如权利要求1或2所述的高光效发光二极管的外延片，其特征在于，所述电子阻挡层和所述BN势垒层之间沉积有P型GaN空穴扩展层，所述P型GaN空穴扩展层中Mg的掺杂浓度小于所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度，所述P型GaN空穴扩展层的厚度为5-50nm；
所述ByInzGa1-y-zN势垒层和所述P-GaN层之间沉积有GaN填平层，所述GaN填平层的厚度为5-50nm。
4.如权利要求3所述的高光效发光二极管的外延片，其特征在于，所述P型GaN空穴扩展层中Mg的掺杂浓度为1×1017-1×1018cm-3，所述P-GaN层中Mg的掺杂浓度为5×1018-1×1020cm-3。
5.如权利要求1或2所述的高光效发光二极管的外延片，其特征在于，所述P-GaN层为In掺杂P-GaN层，其中，In组分的占比为0.01-0.1；所述P-GaN层的厚度为5-50nm。
6.一种高光效发光二极管的外延片的制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的高光效发光二极管的外延片，其特征在于，包括：
提供衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、BN势垒层、InxGa1-xN势阱层、ByInzGa1-y-zN势垒层和P-GaN层；
其中，x为0.01-0.2，y为0.05-0.5，z为0.01-0.1。
7.如权利要求6所述的高光效发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述BN势垒层、所述InxGa1-xN势阱层的生长温度大于所述ByInzGa1-y-zN势垒层的生长温度，所述P-GaN层的生长温度大于所述ByInzGa1-y-zN势垒层的生长温度；
所述BN势垒层、所述InxGa1-xN势阱层、所述ByInzGa1-y-zN势垒层的生长气氛为NH3和N2的混合气体，所述P-GaN层的生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体。
8.如权利要求6或7所述的高光效发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述BN势垒层、所述InxGa1-xN势阱层的生长温度为850-900℃，生长压力为100-300torr；
所述ByInzGa1-y-zN势垒层的生长温度为800-850℃，生长压力为100-300torr；
所述P-GaN层的生长温度为900-1000℃，生长压力为100-300torr。
9.如权利要求8所述的高光效发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，在所述衬底上依次生长缓冲层、U-GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN空穴扩展层、BN势垒层、InxGa1-xN势阱层、ByInzGa1-y-zN势垒层、GaN填平层和P-GaN层；
其中，所述P型GaN空穴扩展层的生长温度为850-900℃，生长压力为100-300torr，生长气氛为NH3和N2的混合气体；
所述GaN填平层的生长温度为900-1000℃，生长压力为100-300torr，生长气氛为NH3、N2和H2的混合气体。
10.一种发光二极管，其特征在于，其包括如权利要求1-5任一项所述的高光效发光二极管的外延片。
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