CN115842075A - 一种高光效发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高光效发光二极管外延片及其制备方法，属于LED半导体的技术领域。该外延片包括衬底以及依次沉积在衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、有源层、电子阻挡层和p型GaN层；n型GaN层包括依次沉积在非掺杂GaN层上的第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层、压应变调制层；压应变调制层的晶格常数c1大于张应变调制层的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2；第二n型GaN层的Si掺杂浓度大于第一n型GaN层的Si掺杂浓度，且第二n型GaN层的厚度小于第一n型GaN层的厚度。通过本申请可有效降低GaN外延层中的极化效应，减少量子阱层因极化效应造成电子与空穴发生空间分离。

Description

一种高光效发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

本发明属于LED半导体的技术领域，具体地涉及一种高光效发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

以InGaN为代表的III族氮化物半导体，作为发光二极管（LED）、 激光器（LD）和高电子迁移率晶体管（HEMT）等电子和光器件的理想材料受到广泛关注。尽管InGaN作为LED材料具有诸多优势，但也存在一些本质的问题：InGaN材料的晶体有32种点群，其中有21种点群中绝大多数（20种）均具有压电特性；且在具有压电特性的点群中又有10种具有热电特性（即自发极化特性）。

一般来说，在理想的纤锌矿结构中，原子分布在双原子层上，双原子层由两个非常靠近的六边形（边长为a）的原子层组成，其中一个原子层由阴离子（N）组成，另一个原子层由阳离（Ga、In、Al）组成，理想情况下c/a=1.633。此时，阴、阳离子重合，电偶极矩之和为零，晶体无极性。但是，在实际III族氮化物中c/a＜1.633，其四面体单元中Ga（In、Al）-N共价键的极化强度矢量之和不为零，使得III族氮化物中沿c轴方向产生自发极化效应，导致量子阱能带倾斜，引发电子和空穴经过量子阱层时会造成严重的空间分离。

因此，如何降低GaN外延层中的极化效应，减少量子阱层因极化效应造成电子与空穴发生空间分离，以提升发光二极管的发光效率，显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高光效发光二极管外延片及其制备方法，可以有效降低GaN外延层中的极化效应，减少量子阱层因极化效应造成电子与空穴发生空间分离，从而提升发光二极管的发光效率。

第一方面，本发明提供一种高光效发光二极管外延片，其包括衬底以及依次沉积在所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、有源层、电子阻挡层和p型GaN层；所述n型GaN层包括依次沉积在所述非掺杂GaN层上的第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层、压应变调制层；

其中，所述压应变调制层的晶格常数c1大于所述张应变调制层的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2；所述第一n型GaN层及所述第二n型GaN层均为Si掺杂GaN层，所述第二n型GaN层的Si掺杂浓度大于所述第一n型GaN层的Si掺杂浓度，且所述第二n型GaN层的厚度小于所述第一n型GaN层的厚度。

相比现有技术，本发明的有益效果为：通过将n型GaN层设置成依次沉积的第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层、压应变调制层。其中，压应变调制层的晶格常数c1大于张应变调制层的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2，可有效的释放GaN外延层累积的应力，并避免因晶格失配导致后续沉积层的晶体质量下降。以及第一n型GaN层的Si掺杂浓度较低及厚度较厚目的在于提高n型GaN层的晶体质量，与此同时，第二n型GaN层的Si掺杂浓度较高及厚度较薄目的在于提供足够的电子与空穴在量子阱层发生复合，并保证电流在n型GaN层中扩散。从而有效降低GaN外延层中的极化效应，减少量子阱层因极化效应造成电子与空穴发生空间分离，达到提升发光二极管的发光效率的目的。

较佳地，所述第一n型GaN层Si掺杂浓度为5E17～5E18atoms/cm³，所述第二n型GaN层Si掺杂浓度为5E18～5E19atoms/cm³，且所述第二n型GaN层Si掺杂浓度是所述第一n型GaN层Si掺杂浓度的1～10倍。

较佳地，所述第一n型GaN层厚度为1um～10um，所述张应变调制层厚度为10nm～100nm，所述第二n型GaN层厚度为0.5um～5um，所述压应变调制层厚度为5nm～50nm。

较佳地，所述有源层由堆叠周期数为6～12个的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层构成。

较佳地，所述电子阻挡层为Al_xIn_yGaN层，其中0.005＜x＜0.1，0.01＜y＜0.2；且Al组分浓度沿着外延片的生长方向逐渐增大。

较佳地，所述p型GaN层为Mg掺杂GaN层，其Mg掺杂浓度1E19～1E21atoms/cm³。

第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的高光效发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层；

在所述非掺杂GaN层上沉积n型GaN层，其包括依次沉积在所述非掺杂GaN层上的第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层、压应变调制层；其中，所述压应变调制层的晶格常数c1大于所述张应变调制层的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2；所述第一n型GaN层及所述第二n型GaN层均为Si掺杂GaN层，所述第二n型GaN层的Si掺杂浓度大于所述第一n型GaN层的Si掺杂浓度，且所述第二n型GaN层的厚度小于所述第一n型GaN层的厚度；

在所述n型GaN层上依次沉积有源层、电子阻挡层和p型GaN层，以完成高光效发光二极管外延片的制备。

相比现有技术，本发明的有益效果为：通过上述步骤制备的发光二极管外延片，可以有效降低GaN外延层中的极化效应，减少量子阱层因极化效应造成电子与空穴发生空间分离，达到提升发光二极管的发光效率的目的。

较佳地，较佳地，所述第一n型GaN层及所述第二n型GaN层的生长气氛采用N₂、H₂及NH₃成分比1:（1～10）:（1～10）的混合气，所述张应变调制层及所述压应变调制层的生长气氛采用N₂及NH₃成分比0.2～5的混合气。

较佳地，所述第一n型GaN层及所述第二n型GaN层的生长温度均为1000℃～1200℃，所述张应变调制层及所述压应变调制层的生长温度均为800℃～1100℃。

较佳地，所述第一n型GaN层、所述张应变调制层、所述第二n型GaN层、所述压应变调制层的生长压力均为50torr～300torr。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的对照例的发光二极管外延片断面图；

图2为本发明各实施例提供的高光效发光二极管外延片断面图。

附图标记说明：

10-衬底；

20-缓冲层；

30-非掺杂GaN层；

40-n型GaN层、41-第一n型GaN层、42-张应变调制层、43-第二n型GaN层、44-压应变调制层；

50-有源层；

60-电子阻挡层；

70-p型GaN层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

对照例

如图1所示，本对照例采用现有技术的发光二极管外延片，其包括衬底10及依次沉积在所述衬底10上的缓冲层20、非掺杂GaN层30、n型GaN层40、有源层50、电子阻挡层60和p型GaN层70；其中，所述n型GaN层40的厚度为2.5um，且其Si掺杂浓度为8.5E18atoms/cm³。将本对照例的效发光二极管外延片采用芯片制造工艺制成10 mil×24 mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.2 lm，具体结果如表1所示。

实施例1

如图2所示，本实施例提供了一种高光效发光二极管外延片，其包括衬底10及依次沉积在所述衬底10上的缓冲层20、非掺杂GaN层30、n型GaN层40、有源层50、电子阻挡层60和p型GaN层70。优选地，所述n型GaN层40包括依次沉积在所述非掺杂GaN层30上的第一n型GaN层41、张应变调制层42、第二n型GaN层43、压应变调制层44。具体地，所述压应变调制层44的晶格常数c1大于所述张应变调制层42的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2；所述第一n型GaN层41及所述第二n型GaN层43均为Si掺杂GaN层，所述第二n型GaN层43的Si掺杂浓度大于所述第一n型GaN层41的Si掺杂浓度，且所述第二n型GaN层43的厚度小于所述第一n型GaN层41的厚度。

其中，本实施例的衬底10选用蓝宝石衬底；蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理的特性，高温下有很好的稳定性。当然，其它实施例也可采用SiO₂蓝宝石复合衬底、Si衬底、SiC衬底、或ZnO衬底中的一种。

其中，本实施例的缓冲层20选用AlN缓冲层，其厚度为15nm。当然，其他实施例也可选用GaN缓冲层。本实施例中，选用在PVD中沉积AlN缓冲层，采用AlN缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了AlGaN和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，进一步的生长提供了平整的成核表面，减少其成核生长的接触角使岛状生长的GaN晶粒在较小的厚度内能连成面，转变为二维外延生长，提高后续沉积AlGaN层晶体质量，降低位错密度，提高多量子阱层辐射复合效率。需要说明的是，其它实施例的AlN缓冲层厚度也可根据实际情况制作，但AlN缓冲层的厚度应在10～50nm范围内选取。

其中，本实施例的非掺杂GaN层30的厚度为3um。具体地，采用金属有机物气相沉积法(MOCVD)在AlN缓冲层上沉积非掺杂GaN层，非掺杂GaN层的生长温度1100℃、生长压力150torr，非掺杂GaN层的生长温度较高，生长压力较低，制备得到GaN的晶体质量较优，同时随着厚度的增加，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。然而提高非掺杂GaN层的厚度对Ga源材料消耗较大，大大提高了发光二极管的外延成本；因此，目前高光效发光二极管外延片通常非掺杂GaN层的生长厚度为2～3um，不仅节约生产成本，而且GaN材料又具有较高的晶体质量。需要说明的是，其他实施例中，非掺杂GaN层的沉积应在1050～1200℃选用生长温度，在100～600torrt选用生长压力。

其中，本实施例的张应变调制层42的厚度为35nm，且选用晶格常数小于GaN晶格常数（C=5.185）的材料，本实施例具体选用AlN材料，当然其他实施例也可选用AlGaN材料或BN材料等。本实施例的压应变调制层44的厚度为18nm，且选用晶格常数大于GaN晶格常数（C=5.185）材料，本实施例具体选用InGaN材料，当然其他实施例也可选用InN材料等。需要说明的是，其它实施例的张应变调制层厚度也可根据实际情况制作，但是，张应变调制层的厚度应在10～100nm范围内选取，压应变调制层的厚度应在5～50nm范围内选取。

进一步地，本实施例的张应变调制层及压应变调制层的生长气氛采用成分比为2:3的N₂及NH₃混合气，且生长压力为150torr。此外，张应变调制层的生长温度为1000℃，压应变调制层的生长温度为880℃。需要说明的是，其它实施例的张应变调制层及压应变调制层所采用的生长气氛、生长压力及生长温度也可根据实际情况调整，但是，张应变调制层及压应变调制层的生长气氛采用的N₂及NH₃混合气的成分比应在0.2～5的范围内选取，采用的生长压力应在50～300 torr范围内选取，采用的生长温度在800～1100℃范围内选取。

其中，本实施例的第一n型GaN层41及第二n型GaN层43均为Si掺杂GaN层。具体地，第一n型GaN层厚度为2um，且其Si掺杂浓度为2.5E18atoms/cm³；第二n型GaN层厚度为0.8um，且其Si掺杂浓度为1.25E19atoms/cm³；可知第二n型GaN层Si掺杂浓度是第一n型GaN层Si掺杂浓度的5倍。需要说明的是，其它实施例的第一n型GaN层及第二n型GaN层的厚度也可根据实际情况制作，但是，第一n型GaN层的厚度应在1～10um范围内选取，且Si掺杂浓度应在5E17～5E18atoms/cm³范围内选取；第二n型GaN层的厚度应在0.5～5um范围内选取，且Si掺杂浓度应在5E18～5E19atoms/cm³范围内选取；第二n型GaN层Si掺杂浓度相比第一n型GaN层Si掺杂浓度的倍数应在1～10倍范围内选取。

进一步地，本实施例的第一n型GaN层及第二n型GaN层的生长气氛采用成分比为1:5:10的N₂、H₂及NH₃混合气，生长压力为150torr，生长温度为1125℃。需要说明的是，其它实施例的第一n型GaN层及第二n型GaN层所采用的生长气氛、生长压力及生长温度也可根据实际情况调整，但是，第一n型GaN层及第二n型GaN层的生长气氛采用的N₂、H₂及NH₃混合气的成分比应在1:（1～10）:（1～10）的范围内选取，采用的生长压力应在50～300torr范围内选取，采用的生长温度在1000～1200℃范围内选取。

其中，本实施例的有源层由堆叠周期数为10个的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层构成，其他实施例中，堆叠周期数在6～12个范围内选取。本实施例中，InGaN量子阱层的厚度为3.5nm，其生长温度为795℃，生长压力200torr，In组分为0.15；AlGaN量子垒层的厚度为9.8nm，其生长温度为855℃，生长压力为200torr，Al组分为0.05。需要说明的是，其它实施例的有源层的InGaN量子阱层及AlGaN量子垒层所采用的生长气氛、生长压力及生长温度也可根据实际情况调整；但是，InGaN量子阱层的厚度应在2～5nm范围内选取，采用的生长压力应在50～300torr范围内选取，采用的生长温度在790～810℃范围内选取，In组分应在0.01～0.3范围内选取。AlGaN量子阱层的厚度应在5～15nm范围内选取，采用的生长压力应在50～300torr范围内选取，采用的生长温度应在800～900℃范围内选取，In组分应在0.01～0.1范围内选取。

其中，本实施例的电子阻挡层60为厚度15nm的Al_xIn_yGaN层。具体地，电子阻挡层的Al组分浓度沿着外延层生长方向有0.01渐变至0.05，In组分浓度为0.01，生长温度为965℃，生长压力为200torr。需要说明的是，其他实施例中，电子阻挡层的厚度应在10～40nm范围内选取，采用的生长温度应在900～1000℃范围内选取，采用的生长压力应在100～300torr范围内选取，Al组分0.005＜x＜0.1,In组分浓度为0.01＜y＜0.2。

其中，本实施例的p型GaN层的厚度为15nm。具体地，p型GaN层所采用的生长温度985℃，生长压力200torr，并且，p型GaN层的Mg掺杂浓度2E+20atoms/cm³，Mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量，而掺杂浓度较低则会影响空穴浓度，因此其他实施例中，Mg掺杂浓度1E19～1E21atoms/cm³。需要说明的是，其他实施例中，p型GaN层的厚度应在10～50nm范围内选取，采用的生长温度应在900～1050℃范围内选用，采用的生长压力应在100～600torr选用。

进一步地，本实施例制备上述高光效发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：

S01，提供一蓝宝石衬底。

S02，在蓝宝石衬底上生长厚度为15nm的AlN缓冲层，并针对已沉积AlN缓冲层的蓝宝石衬底进行氮化处理。

具体地，将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在氢气的气氛进行预处理1～10min，处理温度为1000℃～1200℃，再对蓝宝石衬底进行氮化处理，提升AlN缓冲层的晶体质量，并且可以有效提高后续沉积AlN外延层的晶体质量。

S03，在AlN缓冲层上生长厚度为3um的非掺杂GaN层。

具体地，非掺杂GaN层的生长温度1100℃，生长压力150torr。由于非掺杂GaN层的生长温度较高，生长压力较低，制备得到GaN的晶体质量较优，同时厚度随着厚度的增加，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。非掺杂GaN层的生长厚度为3um，由于提高非掺杂GaN层的厚度对Ga源材料消耗较大，大大提高了发光二极管的外延成本，因此本实施例的非掺杂GaN层的厚度为3um，不仅节约生产成本，而且GaN材料又具有较高的晶体质量。

S04，在非掺杂GaN层上生长n型GaN层；

其中，n型GaN层包括依次沉积的第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层、压应变调制层。具体地，第一n型GaN层及第二n型GaN层为Si掺杂GaN层，张应变调制层为晶格常数小于GaN晶格常数（C=5.185）AlN材料，压应变调制层为晶格常数大于GaN晶格常数（C=5.185）InGaN材料。本征GaN晶体电导率较低，可以通过有效的掺杂提升GaN材料的电导率，在电流注入时可以不断产生电子参与有源区中的辐射复合；掺杂元素一般要求与GaN原子半径接近且在生长温度下仍能保持一定稳定性。具体实践中，在MOCVD外延生长GaN中，使用最多的n型掺杂元素为Si，掺杂源为SiH₄；在GaN上生长InGaN或AlGaN异质结构时，由于三元合金外延层的晶格常数与三元合金外延层的晶格常数与GaN衬底在面内（垂直于c轴）不完全匹配，导致产生张应变或压应变，相应的c方向引起压应变或张应变（即双轴应变）。具体来说，当外延层的晶格常数大于衬底晶格常数时，产生面内压应变；当外延层的晶格常数小于衬底晶格常数时，产生面内张应变,因此本实施例引入张应变调制层及压应变调制层可以是有效的释放GaN外延层累积的应力。

本步骤中，第一n型GaN层Si掺杂浓度2.5E18atoms/cm³，第二n型GaN层Si掺杂浓度1.25E19atoms/cm³，第二n型GaN层Si掺杂浓度是第一n型GaN层Si掺杂浓度5倍。第一n型GaN层的厚度为2um，张应变调制层的厚度为35nm，第二n型GaN层厚度为0.8um，压应变调制层的厚度为18nm。第一n型GaN层Si掺杂浓度较低及厚度较厚为了提高n型GaN层的晶体质量，第二n型GaN层Si掺杂浓度较高及厚度较薄为了提供足够的电子与空穴在量子阱层发生复合，并保证电流在n型GaN层中扩散。此外，张应变调制层及压应变调制层的合适厚度既保证外延层应力有效释放，并且避免因晶格失配导致后续沉积外延层的晶体质量下降。

进一步地，第一n型GaN层及第二n型GaN层的生长气氛N₂、H₂及NH₃比例1:5:10，张应变调制层及压应变调制层的生长气氛N₂、NH₃的比例为2:3。第一n型GaN层及第二n型GaN层的生长温度为1125℃,张应变调制层为1000℃，压应变调制层的生长温度为880℃。第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层、压应变调制层的生长压力均为150torr。本步骤通过合适的生长温度及较低的生长压力使原子迁移率升高，提高外延层侧向生长的能力，提高晶体质量。

S05，在n型AlGaN层上生长有源层；

其中，有源层包括10个周期性交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层，合适的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层的周期数可以提高电子与空穴在量子阱层中的波函数重叠，提升电子与空穴在量子阱层发生辐射复合效率。具体地，InGaN量子阱层生长温度为795℃，厚度为3.5nm，压力200torr，In组分为0.15；AlGaN量子垒层生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。量子阱层为电子和空穴复合的区域，合理的结构设计可以显著增加电子和空穴波函数交叠程度，从而提高 LED 器件发光效率。

S06，在有源层上生长厚度15nm的电子阻挡层；

具体地，AlGaN电子阻挡层的Al组分浓度沿着外延层生长方向由0.01渐变至0.05，In组分浓度为0.01，生长温度为965℃，生长压力为200torr，既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡，提升空穴向量子阱层的注入效率，减少载流子俄歇复合，提高发光二极管的发光效率。

S07，在电子阻挡层上生长厚度为15nm的p型GaN层；

具体地，p型GaN层的生长温度为985℃,生长压力为200torr，Mg掺杂浓度2E+20atoms/cm³，Mg掺杂浓度过高会破坏晶体质量，而掺杂浓度较低则会影响空穴浓度。同时，对于含V形坑的LED结构来说，p型GaN层较高的生长温度也有利于合并V形坑，得到表面光滑的LED外延片，得到表面光滑的高光效LED外延片。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.76 lm，较对照例提升了2%，具体如表1所示。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一n型GaN层的厚度为1.5um，第二n型GaN层的厚度为0.5um。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.62 lm，较对照例提升了1.5%，具体如表1所示。

实施例3

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一n型GaN层的厚度为2.5um，第二n型GaN层的厚度为1um。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.62 lm，较对照例提升了1.5%，具体如表1所示。

实施例4

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的张应变调制层的厚度为50nm，压应变调制层的厚度为35nm。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.54 lm，较对照例提升了1.2%，具体如表1所示。

实施例5

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的张应变调制层的厚度为25nm，压应变调制层的厚度为12nm。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.48 lm，较对照例提升了1.0%，具体如表1所示。

实施例6

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一n型GaN层的Si掺杂浓度为5E18atoms/cm³；第二n型GaN层的Si掺杂浓度为2E+19atoms/cm³。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.43 lm，较对照例提升了0.8%，具体如表1所示。

实施例7

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一n型GaN层的Si掺杂浓度为1E+18atoms/cm³；第二n型GaN层的Si掺杂浓度为8E+18atoms/cm³。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.54 lm，较对照例提升了1.2%，具体如表1所示。

实施例8

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一n型GaN层及第二n型GaN层的生长气氛采用N₂、H₂及NH₃成分比为1：5：5的混合气，张应变调制层及压应变调制层的生长气氛采用N₂及NH₃成分比为1：1的混合气。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.62 lm，较对照例提升了1.5%，具体如表1所示。

实施例9

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一n型GaN层及第二n型GaN层的生长气氛采用成分比为1：2：5的N₂、H₂及NH₃混合气，张应变调制层及压应变调制层的生长气氛采用N₂及NH₃成分比为1：2的混合气。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.71 lm，较对照例提升了1.8%，具体如表1所示。

实施例10

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一n型GaN层的厚度为1.0um，第二n型GaN层的厚度为0.5um，第一n型GaN层的Si掺杂浓度为5E17atoms/cm³，第二n型GaN层的Si掺杂浓度为5E18atoms/cm³；张应变调制层的厚度为10nm，压应变调制层的厚度为5nm。本实施例的第一n型GaN层及第二n型GaN层的生长气氛采用N₂、H₂及NH₃成分比为1：1：1的混合气，张应变调制层及压应变调制层的生长气氛采用成分比为1：5的N₂及NH₃混合气。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.54 lm，较对照例提升了1.2%，具体如表1所示。

实施例11

本实施例与实施例1的不同之处在于：本实施例的第一n型GaN层的厚度为10um，第二n型GaN层的厚度为5um，第一n型GaN层的Si掺杂浓度为5E18atoms/cm³，第二n型GaN层的Si掺杂浓度为5E19atoms/cm³；张应变调制层的厚度为100nm，压应变调制层的厚度为50nm。本实施例的第一n型GaN层及第二n型GaN层的生长气氛采用N₂、H₂及NH₃成分比为1：10：10的混合气，张应变调制层及压应变调制层的生长气氛采用成分比为5：1的N₂及NH₃混合气。

根据本实施例的制备方法制备的高光效发光二极管外延片采用与对照例相同的芯片制造工艺制成10mil×24mil规格的LED芯片，在120mA的测试电流条件下,经测试仪器测试光效为28.43 lm，较对照例提升了0.8%，具体如表1所示。

表1：各实施例及对照例的部分参数比对以及对应光效结果的对比表

从表1可知，本发明通过以下设置：将压应变调制层的晶格常数c1大于张应变调制层的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2；第一n型GaN层及第二n型GaN层均为Si掺杂GaN层，第二n型GaN层的Si掺杂浓度大于第一n型GaN层的Si掺杂浓度，且第二n型GaN层的厚度小于第一n型GaN层的厚度。通过上述设置，具有以下有益效果：

1、将压应变调制层的晶格常数c1大于张应变调制层的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2，以及采用适合厚度，可有效的释放GaN外延层累积的应力，并避免因晶格失配导致后续沉积层的晶体质量下降。

2、第一n型GaN层的Si掺杂浓度较低及厚度较厚目的在于提高n型GaN层的晶体质量，与此同时，第二n型GaN层的Si掺杂浓度较高及厚度较薄目的在于提供足够的电子与空穴在量子阱层发生复合，并保证电流在n型GaN层中扩散。从而有效降低GaN外延层中的极化效应，减少量子阱层因极化效应造成电子与空穴发生空间分离，达到提升发光二极管的发光效率的目的。

3、第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层及压应变调制层采用合适的生长温度及较低的生长压力使原子迁移率升高，提高外延层侧向生长的能力，提高晶体质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高光效发光二极管外延片，包括衬底以及依次沉积在所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、有源层、电子阻挡层和p型GaN层；其特征在于，所述n型GaN层包括依次沉积在所述非掺杂GaN层上的第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层、压应变调制层；

其中，所述压应变调制层的晶格常数c1大于所述张应变调制层的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2；所述第一n型GaN层及所述第二n型GaN层均为Si掺杂GaN层，所述第二n型GaN层的Si掺杂浓度大于所述第一n型GaN层的Si掺杂浓度，且所述第二n型GaN层的厚度小于所述第一n型GaN层的厚度。

2.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述第一n型GaN层Si掺杂浓度为5E17～5E18atoms/cm³，所述第二n型GaN层Si掺杂浓度为5E18～5E19atoms/cm³，且所述第二n型GaN层Si掺杂浓度是所述第一n型GaN层Si掺杂浓度的1～10倍。

3.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述第一n型GaN层厚度为1um～10um，所述张应变调制层厚度为10nm～100nm，所述第二n型GaN层厚度为0.5um～5um，所述压应变调制层厚度为5nm～50nm。

4.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述有源层由堆叠周期数为6～12个的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层构成。

5.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述电子阻挡层为Al_xIn_yGaN层，其中0.005＜x＜0.1，0.01＜y＜0.2；且Al组分浓度沿着外延片的生长方向逐渐增大。

6.根据权利要求1所述的高光效发光二极管外延片，其特征在于，所述p型GaN层为Mg掺杂GaN层，其Mg掺杂浓度1E19～1E21 atoms/cm³。

7.一种如权利要求1～6任意一项所述的高光效发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层；

在所述非掺杂GaN层上沉积n型GaN层，其包括依次沉积在所述非掺杂GaN层上的第一n型GaN层、张应变调制层、第二n型GaN层、压应变调制层；其中，所述压应变调制层的晶格常数c1大于所述张应变调制层的晶格常数c2，且c1＜5.815＜c2；所述第一n型GaN层及所述第二n型GaN层均为Si掺杂GaN层，所述第二n型GaN层的Si掺杂浓度大于所述第一n型GaN层的Si掺杂浓度，且所述第二n型GaN层的厚度小于所述第一n型GaN层的厚度；

在所述n型GaN层上依次沉积有源层、电子阻挡层和p型GaN层，以完成高光效发光二极管外延片的制备。

8.根据权利要求7所述的高光效发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述第一n型GaN层及所述第二n型GaN层的生长气氛采用N₂、H₂及NH₃成分比1:（1～10）:（1～10）的混合气，所述张应变调制层及所述压应变调制层的生长气氛采用N₂及NH₃成分比0.2～5的混合气。

9.根据权利要求7所述的高光效发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述第一n型GaN层及所述第二n型GaN层的生长温度均为1000℃～1200℃，所述张应变调制层及所述压应变调制层的生长温度均为800℃～1100℃。

10.根据权利要求7所述的高光效发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述第一n型GaN层、所述张应变调制层、所述第二n型GaN层、所述压应变调制层的生长压力均为50torr～300torr。

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