CN116053378B - 发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管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。发光二极管外延片包括衬底和依次设于所述衬底上的形核层、本征GaN层、N‑GaN层、多量子阱层、V型坑层和P‑GaN层；V型坑层包括依次层叠的V型坑缓冲层、V型坑填平层和V型坑缺陷阻挡层；多量子阱层经刻蚀得到多个V型坑，V型坑缓冲层为InAlGaN层，V型坑填平层为AlGaN层和GaN层交替生长的周期性结构；V型坑缺陷阻挡层为AlN层。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率，提高抗静电能力，提高发光波长和发光亮度均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光电器件领域，尤其涉及一种发光二极管外延片及其制备方法、发光二极管。
背景技术
目前，GaN基发光二极管已经大量应用于固态照明领域以及显示领域，吸引越来越多的人关注。外延结构对发光二极管的光电性能具有很大影响。传统的发光二极管外延片包括：衬底，以及在衬底上依次生长的形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、电子阻挡层、P-GaN层。相比于蓝光，黄绿光过高的In组分使得InGaN/GaN多量子阱层的晶体质量恶化，导致发光二极管在长波波段（大于530nm）的发光效率大幅下降。现有发光二极管V型坑层为低温生长的InGaN/GaN重复层叠的超晶格结构，V型坑侧壁面呈V型贯穿于整个有源区，因其特殊的几何结构，空穴很容易通过V型侧壁注入至更深的发光量子阱中，可以降低工作电压和改善电子与空穴空间上的不均匀分布，增加发光效率。但目前V型坑层还存在以下问题：V型坑是沿着底层的线位错产生的，其本身就是一种天然的漏电通道，会影响发光二极管的抗静电能力；V型坑生长过程中，容易引入很多缺陷，成为非辐射复合中心捕获载流子，影响内量子效率，降低发光效率；V型坑生长过快，开口大小不一致，分布不均匀，导致发光波长和发光亮度分布不均匀。尤其是对于本身缺陷就较多的光绿光中，这种现象更加明显。
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，提高抗静电能力，提高发光波长和发光亮度均匀性。
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、发光亮度均匀性好，抗静电能力强。
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形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、V型坑层和P-GaN层；所述V型坑层包括依次层叠于所述多量子阱层上的V型坑缓冲层、V型坑填平层和V型坑缺陷阻挡层；
所述多量子阱层设有多个经刻蚀得到的V型坑，其中，V型坑的深度小于或等于所述多量子阱层的厚度；
所述V型坑缓冲层为InAlGaN层，其In组分的占比沿外延生长的方向逐渐降低，Al组分的占比沿外延生长的方向逐渐升高；
所述V型坑填平层为AlGaN层和GaN层交替生长形成的周期性结构，所述V型坑缺陷阻挡层包括AlN层。
作为上述技术方案的改进，所述V型坑的开口尺寸为100nm-140nm，分布密度为1×108个/cm2-1×1010个/cm2。
作为上述技术方案的改进，所述V型坑缓冲层中In组分的占比沿外延生长的方向由0.05-0.15逐渐降低至0，Al组分的占比沿外延生长的方向由0逐渐增加至0.05-0.1，所述V型坑缓冲层的厚度为0.5nm-3nm；
所述V型坑填平层的周期数为5-10，其中，所述AlGaN层中Al组分的占比为0.3-0.5，单个所述AlGaN层的厚度为1nm-5nm，单个所述GaN层的厚度为5nm-10nm；
所述V型坑缺陷阻挡层中Al组分的占比为0.3-0.6，其厚度为1nm-20nm。
作为上述技术方案的改进，所述V型坑缺陷阻挡层为AlN层和MgGaN层交替生长形成的周期性结构，周期数为3-6，其中，单个所述AlN层的厚度为0.5nm-3nm；所述MgGaN层中Mg的掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1017cm-3，单个所述MgGaN层的厚度为0.5nm-3nm。
作为上述技术方案的改进，所述V型坑层中还包括MgN层，所述MgN层设于所述V型坑缓冲层和所述V型坑填平层之间；所述MgN层中Mg组分的占比为0.3-0.6，所述MgN层的厚度为3nm-10nm。
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形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、V型坑层和P-GaN层；所述V型坑层包括依次层叠于所述多量子阱层上的V型坑缓冲层、V型坑填平层和V型坑缺陷阻挡层；
所述多量子阱层设有多个经刻蚀得到的V型坑，其中，V型坑的深度小于或等于所述多量子阱层的厚度；
所述V型坑缓冲层为InAlGaN层，其In组分的占比沿外延生长的方向逐渐降低，Al组分的占比沿外延生长的方向逐渐升高；
所述V型坑填平层为AlGaN层和GaN层交替生长形成的周期性结构，所述V型坑缺陷阻挡层包括AlN层。
作为上述技术方案的改进，通过ICP刻蚀在所述多量子阱层上形成多个V型坑，刻蚀功率为200W-400W，刻蚀使用的气体为Cl2和N2的混合气体，其中，Cl2和N2的体积比为1：（1-2）；
所述V型坑缓冲层的生长温度为900℃-950℃，生长压力为100torr-300torr；
所述V型坑填平层的生长温度为900℃-950℃，生长压力为100torr-300torr；
所述V型坑缺陷阻挡层的生长温度为950℃-1000℃，生长压力为100torr-300torr。
作为上述技术方案的改进，所述V型坑缺陷阻挡层为AlN层和MgGaN层交替生长形成的周期性结构，所述V型坑缺陷阻挡层的生长温度为950℃-1000℃，生长压力为100torr-300torr。
作为上述技术方案的改进，所述V型坑层中还包括MgN层，所述MgN层设于所述V型坑缓冲层和所述V型坑填平层之间，所述MgN层的生长温度为600℃-800℃，生长压力为100torr-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，V型坑层包括依次层叠于多量子阱层上的V型坑缓冲层、V型坑填平层和V型坑缺陷阻挡层。
首先，本发明对多量子阱层进行刻蚀，得到大小可控、分布均匀、深度可控、一致性强的V型坑，最大限度地发挥V型坑增加空穴注入效率的作用，并且提高了发光波长均匀性和发光亮度分布均匀性，避免了传统外延片采用低温生长的InGaN/GaN重复层叠的超晶格结构引起的位错缺陷造成的大量非辐射复合，尤其是对于高In组分的黄绿光，其本身多量子阱层晶格质量较差，缺陷带来的负面效果更强，并且由于本发明V型坑位错缺陷的减少，减少了漏电通道，提高了发光二极管的抗静电能力。
其次，本发明在V型坑上生长InAlGaN层作为V型坑缓冲层，并且In组分的占比沿外延生长的方向逐渐降低，Al组分的占比沿外延生长的方向逐渐升高，实现与多量子阱层的晶格缓冲和能阶缓冲，减少与后续高能阶材料衔接时的能带变化，减少势垒尖峰形成，避免影响空穴注入。
再次，本发明采用AlGaN层和GaN层交替生长的周期性结构作为V型坑填平层，AlGaN层纵向长大，GaN层横向长大，逐步填平V型坑，实现位错的扭曲和湮灭，提高晶格质量；并且，AlGaN层和GaN层组成的超晶格结构中，异质结间会形成极化电场，产生二维空穴气，有利于提高P-GaN层产生的空穴的迁移率和扩展能力，提高发光效率；同时，AlGaN材料能阶高，具有电子阻挡的作用，可以阻止电子溢流。
最后，采用AlN层作为V型坑缺陷阻挡层，由于Al原子很小，AlN层生长致密，平整度高，可将从多量子阱层延伸的缺陷和V型坑填平时遗留的缺陷进行修复，避免对P-GaN层产生的空穴进行捕捉；并且，AlN材料能阶高，可进一步防止电子溢流。
2. 本发明的发光二极管外延片中，V型坑缺陷阻挡层为AlN层和MgGaN层交替生长的周期性结构，采用周期性结构可避免致密的AlN层生长太厚产生裂纹，并且MgGaN层可产生少量空穴，提高进入多量子阱区的空穴浓度，提高发光效率。
3. 本发明的发光二极管外延片中，V型坑层中还包括MgN层，MgN层设于V型坑缓冲层和V型坑填平层之间。在V型坑内部形成金属粗化层，可最大程度地减少光线的全反射，增加在MgN粗化界面的漫反射，提高光提取效率。
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V型坑层的结构示意图；
图3是本发明一实施例中V型坑填平层的结构示意图；
图4是本发明一实施例中V型坑缺陷阻挡层的结构示意图；
图5是本发明另一实施例中V型坑层的结构示意图；
图6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3，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上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、V型坑层6和P-GaN层7；V型坑层6包括依次层叠的V型坑缓冲层61、V型坑填平层62和V型坑缺陷阻挡层63。
其中，多量子阱层5经刻蚀得到多个V型坑51。基于刻蚀工艺，得到大小可控、分布均匀、深度可控、一致性强的V型坑51，最大限度地发挥V型坑增加空穴注入效率的作用，并且提高了发光波长均匀性和发光亮度分布均匀性，避免了传统外延片采用低温生长的InGaN/GaN重复层叠的超晶格结构引起的位错缺陷造成的大量非辐射复合，尤其是对于高In组分的黄绿光，其本身多量子阱层晶格质量较差，缺陷带来的负面效果更强，并且由于本发明V型坑位错缺陷的减少，减少了漏电通道，提高了发光二极管的抗静电能力。其中，V型坑深度51小于或等于多量子阱层5的厚度，若V型坑51的深度过深，会造成漏电。具体的，V型坑51的深度可为25nm-340nm，示例性的为30nm、50nm、70nm、100nm、130nm、150nm、200nm、250nm或300nm，但不限于此。
具体的，V型坑51的开口尺寸（即V型坑顶部的开口大小，即图1中d）为90nm-150nm，开口尺寸在这个范围内，可较好的提高空穴注入效率。优选的，V型坑51开口尺寸为100nm-140nm，示例性的为105nm、110nm、115nm、120nm、125nm、130nm或135nm，但不限于此。
V型坑51均匀分布于多量子阱层5上。具体的，V型坑51的分布密度为7×107个/cm2-5×1010个/cm2（即每平方厘米的多量子阱层5上阵列有7×107个-5×1010个V型坑51），V型坑51的分布密度在这个范围内，可较好的提高空穴注入效率。优选的，V型坑51的分布密度为1×108个/cm2-1×1010个/cm2，示例性的为3×108个/cm2、5×108个/cm2、7×108个/cm2、9×108个/cm2、1×109个/cm2、3×109个/cm2、5×109个/cm2或9×109个/cm2，但不限于此。
其中，V型坑缓冲层61为InAlGaN层，其中，In组分的占比沿外延生长的方向逐渐降低，Al组分的占比沿外延生长的方向逐渐升高，实现与多量子阱层5的晶格缓冲和能阶缓冲，减少与后续高能阶材料衔接时的能带变化，减少势垒尖峰形成，避免影响空穴注入。优选的，在本发明的一个实施例中，V型坑缓冲层61中In组分的占比沿外延生长的方向由0.05-0.15逐渐降低至0，Al组分的占比沿外延生长的方向由0逐渐增加至0.05-0.1。
具体的，V型坑缓冲层61的厚度为0.3nm-4nm，若其厚度＜0.3nm，起不到缓冲作用；若其厚度＞4nm，会影响空穴注入。优选的，V型坑缓冲层61的厚度为0.5nm-3nm，示例性的为1nm、1.2nm、1.5nm、1.8nm、2nm或2.5nm，但不限于此。
其中，V型坑填平层62为AlGaN层621和GaN层622交替生长形成的周期性结构。AlGaN层621纵向长大，GaN层622横向长大，逐步填平V型坑51，实现位错的扭曲和湮灭，提高晶格质量；并且，AlGaN层621和GaN层622组成的超晶格结构中，异质结间会形成极化电场，产生二维空穴气，有利于提高P-GaN层7产生的空穴的迁移率和扩展能力，提高发光效率；同时，AlGaN材料能阶高，具有电子阻挡的作用，可以阻止电子溢流。
具体的，V型坑填平层62的周期数为4-12，优选的为5-10。
具体的，AlGaN层621中Al组分的占比为0.25-0.55，若Al组分的占比＜0.25，起不到阻挡电子的作用；若Al组分的占比＞0.55，会影响载流子的迁移率。优选的，AlGaN层621中Al组分的占比为0.3-0.5，示例性的为0.32、0.35、0.38、0.4、0.42、0.45或0.48，但不限于此。
具体的，单个AlGaN层621的厚度为0.5nm-6nm，若厚度＜0.5nm，起不到电子阻挡的作用；若厚度＞6nm，会影响载流子的迁移率。优选的，单个AlGaN层621的厚度为1nm-5nm，示例性的为1nm、1.5nm、2nm、2.5nm、3nm、3.5nm、4nm或4.5nm，但不限于此。
单个GaN层622的厚度为4nm-12nm，厚度在这个范围内，可以良好的实现V型坑填平。优选的，单个GaN层622的厚度为5nm-10nm，示例性的为6nm、7nm、8nm或9nm，但不限于此。
其中，V型坑缺陷阻挡层63为AlN层。由于Al原子很小，AlN层生长致密，平整度高，可将从多量子阱层5延伸的缺陷和V型坑填平时遗留的缺陷进行修复，避免对P-GaN层7产生的空穴进行捕捉；并且，AlN材料能阶高，可进一步防止电子溢流。
具体的，V型坑缺陷阻挡层63中Al组分的占比为0.25-0.65，若Al组分的占比＜0.25，起不到电子阻挡的作用；若Al组分的占比＞0.65，容易产生裂纹。优选的，V型坑缺陷阻挡层63中Al组分的占比为0.3-0.6，示例性的为0.35、0.4、0.45、0.5或0.55，但不限于此。
V型坑缺陷阻挡层63的厚度为0.5nm-22nm，若厚度＜0.5nm，起不到电子阻挡的作用；若厚度＞22nm，容易产生裂纹。优选的，V型坑缺陷阻挡层63的厚度为1nm-20nm，示例性的为2nm、5nm、10nm、12nm、15nm或17nm，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例中，参考图4，V型坑缺陷阻挡层63为AlN层631和MgGaN层632交替生长形成的周期性结构，周期数为3-6。采用周期性结构可避免致密的AlN层631生长太厚产生裂纹，并且MgGaN层632可产生少量空穴，提高进入多量子阱区的空穴浓度，提高发光效率。
具体的，单个AlN层631的厚度为0.5nm-3nm，厚度在这个范围内可以起到良好的电子阻挡的作用，并且不会产生裂纹。示例性的，单个AlN层631的厚度为0.7nm、1nm、1.2nm、1.5nm、1.7nm、2nm、2.2nm、2.5nm或2.7nm，但不限于此。
具体的，MgGaN层632中Mg的掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1017cm-3，若Mg的掺杂浓度＜1×1016cm-3，难以产生足够的空穴；若Mg的掺杂浓度＞1×1017cm-3，容易产生裂纹。示例性的，Mg的掺杂浓度为2×1016cm-3、3×1016cm-3、4×1016cm-3、5×1016cm-3、6×1016cm-3、7×1016cm-3、8×1016cm-3或9×1016cm-3，但不限于此。
具体的，单个MgGaN层632的厚度为0.5nm-3nm，若厚度＜0.5nm，难以产生足够的空穴；若厚度＞3nm，容易产生裂纹。示例性的，单个MgGaN层632的厚度为0.8nm、1nm、1.2nm、1.5nm、1.8nm、2nm、2.2nm、2.5nm或2.8nm，但不限于此。
优选的，在本发明的一个实施例中，参考图5，V型坑层6中还包括MgN层64，MgN层64设于V型坑缓冲层61和V型坑填平层62之间，在V型坑内部形成金属粗化层，可最大程度的减少光线的全反射，增加在MgN粗化界面的漫反射，提高光提取效率。
具体的，MgN层64中Mg组分的占比为0.3-0.6，若Mg组分的占比＜0.3，不利于形成粗化；若Mg组分的占比＞0.6，Mg原子分布不均匀，容易形成缺陷。示例性的，MgN层64中Mg组分的占比为0.35、0.4、0.45、0.5或0.55，但不限于此。
MgN层64的厚度为3nm-10nm，若其厚度＜3nm，难以有效减少光线的全反射；若厚度＞10nm，容易形成缺陷。示例性的，MgN层64的厚度为4nm、5nm、6nm、7nm、8nm或9nm，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，形核层2可为AlN层和/或AlGaN层，但不限于此。形核层2的厚度为20nm-100nm，示例性的为30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm或90nm，但不限于此。
其中，本征GaN层3的厚度300nm-800nm，示例性的为350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm或750nm，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5×1018cm-3-1×1019cm-3，厚度为1μm-3μm。
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，堆叠周期数3-15。单个InGaN量子阱层的厚度为3nm-7nm，单个GaN量子垒层的厚度为6nm-15nm。
其中，P-GaN层7中的掺杂元素为Mg，但不限于此。P-GaN层7中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3-1×1020cm-3。P-GaN层7的厚度为5nm-60nm。
相应的，参考图6，本发明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，该衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。
优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底加载至MOCVD中，在1000℃-1200℃、200torr-600torr、氢气气氛下退火5min-8min，以去除衬底表面的颗粒、氧化物等杂质。
S200：在衬底上生长形核层；
具体的，可采用MOCVD生长AlGaN层作为形核层，或采用PVD生长AlN层作为形核层，但不限于此。优选的，采用MOCVD生长AlGaN层，其生长温度为500℃-700℃，生长压力为200torr-400torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源。
S300：在形核层上生长本征GaN层；
具体地，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1100℃-1150℃，生长压力为100torr-500torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
S400：在本征GaN层上生长N-GaN层；
具体的，在MOCVD中生长N-GaN层，生长温度为1100℃-1150℃，生长压力为100torr-500torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入SiH4作为N型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
S500：在N-GaN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℃-800℃，生长压力为100torr-500torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。其中，GaN量子垒层的生长温度为800℃-900℃，生长压力为100torr-500torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以H2和N2作为载气，通入TEGa作为Ga源。
S600：将多量子阱层刻蚀，形成多个V型坑；
具体的，可对多量子阱层进行干法刻蚀或湿法刻蚀，以形成V型坑，但不限于此。优选的，在本发明的一个实施例中，对多量子阱层进行ICP刻蚀，得到V型坑，刻蚀功率为200W-400W，腔室压力3mtorr-6mtorr，刻蚀使用的气体为Cl2和N2的混合气体，其中，Cl2和N2的体积比为1：（1-2）。基于这种条件得到的V型坑深度均匀、一致性强。
S700：在刻蚀后的多量子阱层上生长V型坑层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，S700包括：
S710：在多量子阱层上生长V型坑缓冲层；
具体的，在MOCVD中生长InAlGaN层作为V型坑缓冲层，其生长条件与本领域常见的InAlGaN层的生长条件相同。优选的，在本发明的一个实施例中，V型坑缓冲层的生长温度为900℃-950℃，生长压力为100torr-300torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，通入TEGa作为Ga源，通入TMAL作为Al源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：（1-2）。采用上述的生长温度，避免温度太低影响晶格质量，避免温度太高对多量子阱层造成破坏。
S720：在V型坑缓冲层上生长MgN层；
具体的，在MOCVD中生长MgN层，其生长条件与本领域常见的MgN层的生长条件相同。优选的，在本发明的一个实施例中，MgN层的生长温度为600℃-800℃，生长压力为100torr-300torr，通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为Mg源，生长时以N2作为载气。采用较低的生长温度、以N2作为载气，有利于粗化层的生长。
S730：在MgN层上生长V型坑填平层；
具体的，在MOCVD中周期性生长AlGaN层和GaN层，作为V型坑填平层。V型坑填平层的生长温度为900℃-950℃，生长压力为100torr-300torr。生长AlGaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，以N2作为载气；生长GaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，以H2作为载气。本发明在生长AlGaN层时，以N2作为载气，有利于纵向生长；在生长GaN层时，以H2作为载气，有利于横向生长。
S740：V型坑填平层上生长V型坑缺陷阻挡层；
具体的，在MOCVD中生长AlN层作为V型坑缺陷阻挡层。优选的，在本发明的一个实施例中，在MOCVD中周期性生长AlN层和MgGaN层作为V型坑缺陷阻挡层。V型坑缺陷阻挡层的生长温度为950℃-1000℃，生长压力为100torr-300torr。生长AlN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：（1-2）。生长MgGaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为Mg源，通入TEGa作为Ga源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：（1-2）。
S800：在V型坑层上生长P-GaN层；
具体的，在MOCVD中生长P-GaN层，生长温度为800℃-1000℃，生长压力为100torr-300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为P型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
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3，其包括衬底1和依次设于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、V型坑层6和P-GaN层7。
其中，衬底1为蓝宝石衬底；形核层2为AlGaN层，其厚度为30nm；本征GaN层3的厚度400nm；N-GaN层4中Si的掺杂浓度为7×1018cm-3，其厚度为2μm；多量子阱层5为交替堆叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，堆叠周期数为10，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。多量子阱层5刻蚀形成多个V型坑51，V型坑51的深度为130nm，开口尺寸为130nm，其分布密度为1×109个/cm2。
其中，V型坑层6包括依次层叠的V型坑缓冲层61、V型坑填平层62和V型坑缺陷阻挡层63。其中，V型坑缓冲层61为InAlGaN层，In组分的占比沿外延生长的方向由0.15逐渐降低至0，Al组分的占比沿外延生长的方向由0逐渐增加至0.1，V型坑缓冲层61的厚度为2nm；V型坑填平层62为AlGaN层621和GaN层622交替生长的周期性结构，周期数为8，单个AlGaN层621的厚度为3nm，Al组分的占比为0.4，单个GaN层622的厚度为8nm；V型坑缺陷阻挡层63为AlN层，Al组分的占比为0.5，其厚度为15nm。
其中，P-GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为3.5×1019cm-3，厚度为10nm。
本实施例中发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：
（1）提供衬底；将衬底加载至MOCVD中，在1120℃、400torr、氢气气氛下退火6min。
（2）在衬底上生长形核层；
具体的，采用MOCVD生长AlGaN层，生长温度为620℃，生长压力为250torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源。
（3）在形核层上生长本征GaN层；
具体地，采用MOCVD生长本征GaN层，生长温度为1100℃，生长压力为250torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
（4）在本征GaN层上生长N-GaN层；
具体地，采用MOCVD生长N-GaN层，生长温度为1120℃，生长压力为150torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入SiH4作为N型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
（5）在N-GaN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750℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。其中，GaN量子垒层的生长温度为850℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以H2和N2作为载气，通入TEGa作为Ga源。
（6）将多量子阱层刻蚀，形成V型坑；
具体的，对多量子阱层进行ICP刻蚀得到V型坑，刻蚀功率为300W，腔室压力4mtorr，刻蚀使用的气体为Cl2和N2的混合气体，其中，Cl2和N2的体积比为1：1。
（7）在刻蚀后的多量子阱层上生长V型坑层；
具体的，V型坑层的制备方法包括：
（Ⅰ）在刻蚀后的多量子阱层上生长V型坑缓冲层；
具体的，在MOCVD中生长V型坑缓冲层，生长温度为930℃，生长压力为200torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，通入TEGa作为Ga源，通入TMAL作为Al源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：1。
（Ⅱ）在V型坑缓冲层上生长V型坑填平层；
具体的，在MOCVD中周期性生长AlGaN层和GaN层，作为V型坑填平层。V型坑填平层的生长温度为930℃，生长压力为200torr。生长AlGaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，以N2作为载气；生长GaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，以H2作为载气。
（Ⅲ）在V型坑填平层上生长V型坑缺陷阻挡层；
具体的，在MOCVD中生长AlN层作为V型坑缺陷阻挡层。V型坑缺陷阻挡层的生长温度为980℃，生长压力为200torr。在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：1。
（8）在V型坑层上生长P-GaN层；
具体的，在MOCVD中生长P-GaN层，生长温度为900℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为P型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，参考图1-图4，其包括衬底1和依次设于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、V型坑层6和P-GaN层7。
其中，衬底1为蓝宝石衬底；形核层2为AlGaN层，其厚度为30nm；本征GaN层3的厚度400nm；N-GaN层4中Si的掺杂浓度为7×1018cm-3，其厚度为2μm；多量子阱层5为交替堆叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，堆叠周期数为10，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。多量子阱层5刻蚀形成多个V型坑51，V型坑51的深度为130nm，开口尺寸为130nm，其分布密度为1×109个/cm2。
其中，V型坑层6包括依次层叠的V型坑缓冲层61、V型坑填平层62和V型坑缺陷阻挡层63。其中，V型坑缓冲层61为InAlGaN层，In组分的占比沿外延生长的方向由0.15逐渐降低至0，Al组分的占比沿外延生长的方向由0逐渐增加至0.1，V型坑缓冲层61的厚度为2nm；V型坑填平层62为AlGaN层621和GaN层622交替生长的周期性结构，周期数为8，单个AlGaN层621的厚度为3nm，Al组分的占比为0.4，单个GaN层622的厚度为8nm；V型坑缺陷阻挡层63为AlN层631和MgGaN层632交替生长的周期性结构，周期数为4，AlN层631中Al组分的占比为0.5，单个AlN层631的厚度为2nm，MgGaN层632中Mg的掺杂浓度为5×1016cm-3，单个MgGaN层632的厚度为2nm。
其中，P-GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为3.5×1019cm-3，厚度为10nm。
本实施例中发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：
（1）提供衬底；将衬底加载至MOCVD中，在1120℃、400torr、氢气气氛下退火6min。
（2）在衬底上生长形核层；
具体的，采用MOCVD生长AlGaN层，生长温度为620℃，生长压力为250torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源。
（3）在形核层上生长本征GaN层；
具体地，采用MOCVD生长本征GaN层，生长温度为1100℃，生长压力为250torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
（4）在本征GaN层上生长N-GaN层；
具体地，采用MOCVD生长N-GaN层，生长温度为1120℃，生长压力为150torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入SiH4作为N型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
（5）在N-GaN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750℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。其中，GaN量子垒层的生长温度为850℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以H2和N2作为载气，通入TEGa作为Ga源。
（6）将多量子阱层刻蚀，形成V型坑；
具体的，对多量子阱层进行ICP刻蚀得到V型坑，刻蚀功率为300W，腔室压力4mtorr，刻蚀使用的气体为Cl2和N2的混合气体，其中，Cl2和N2的体积比为1：1。
（7）在刻蚀后的多量子阱层上生长V型坑层；
（Ⅰ）在刻蚀后的多量子阱层上生长V型坑缓冲层；
具体的，在MOCVD中生长V型坑缓冲层，生长温度为930℃，生长压力为200torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，通入TEGa作为Ga源，通入TMAL作为Al源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：1。
（Ⅱ）在V型坑缓冲层上生长V型坑填平层；
具体的，在MOCVD中周期性生长AlGaN层和GaN层，作为V型坑填平层。V型坑填平层的生长温度为930℃，生长压力为200torr。生长AlGaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，以N2作为载气；生长GaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，以H2作为载气。
（Ⅲ）在V型坑填平层上生长V型坑缺陷阻挡层；
具体的，在MOCVD中周期性生长AlN层和MgGaN层作为V型坑缺陷阻挡层。V型坑缺陷阻挡层的生长温度为980℃，生长压力为200torr。生长AlN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：1。生长MgGaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为Mg源，通入TEGa作为Ga源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：1。
（8）在V型坑层上生长P-GaN层；
具体的，在MOCVD中生长P-GaN层，生长温度为900℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为P型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，参考图1，图3-图5，其包括衬底1和依次设于衬底1上的形核层2、本征GaN层3、N-GaN层4、多量子阱层5、V型坑层6和P-GaN层7。
其中，衬底1为蓝宝石衬底；形核层2为AlGaN层，其厚度为30nm；本征GaN层3的厚度400nm；N-GaN层4中Si的掺杂浓度为7×1018cm-3，其厚度为2μm；多量子阱层5为交替堆叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，堆叠周期数为10，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。多量子阱层5刻蚀形成多个V型坑51，V型坑51的深度为130nm，开口尺寸为130nm，其分布密度为1×109个/cm2。
其中，V型坑层6包括依次层叠的V型坑缓冲层61、MgN层64、V型坑填平层62和V型坑缺陷阻挡层63。其中，V型坑缓冲层61为InAlGaN层，In组分的占比沿外延生长的方向由0.15逐渐降低至0，Al组分的占比沿外延生长的方向由0逐渐增加至0.1，V型坑缓冲层61的厚度为2nm；MgN层64中Mg组分的占比为0.4，MgN层64的厚度为8nm；V型坑填平层62为AlGaN层621和GaN层622交替生长的周期性结构，周期数为8，单个AlGaN层621的厚度为3nm，Al组分的占比为0.4，单个GaN层622的厚度为8nm；V型坑缺陷阻挡层63为AlN层631和MgGaN层632交替生长的周期性结构，周期数为4，AlN层631中Al组分的占比为0.5，单个AlN层631的厚度为2nm，MgGaN层632中Mg的掺杂浓度为5×1016cm-3，单个MgGaN层632的厚度为2nm。
其中，P-GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为3.5×1019cm-3，厚度为10nm。
本实施例中发光二极管外延片的制备方法包括以下步骤：
（1）提供衬底；将衬底加载至MOCVD中，在1120℃、400torr、氢气气氛下退火6min。
（2）在衬底上生长形核层；
具体的，采用MOCVD生长AlGaN层，生长温度为620℃，生长压力为250torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源。
（3）在形核层上生长本征GaN层；
具体地，采用MOCVD生长本征GaN层，生长温度为1100℃，生长压力为250torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
（4）在本征GaN层上生长N-GaN层；
具体地，采用MOCVD生长N-GaN层，生长温度为1120℃，生长压力为150torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入SiH4作为N型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
（5）在N-GaN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750℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TEGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。其中，GaN量子垒层的生长温度为850℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以H2和N2作为载气，通入TEGa作为Ga源。
（6）将多量子阱层刻蚀，形成V型坑；
具体的，对多量子阱层进行ICP刻蚀得到V型坑，刻蚀功率为300W，腔室压力4mtorr，刻蚀使用的气体为Cl2和N2的混合气体，其中，Cl2和N2的体积比为1：1。
（7）在刻蚀后的多量子阱层上生长V型坑层；
具体的，V型坑层的制备方法包括：
（Ⅰ）在刻蚀后的多量子阱层上生长V型坑缓冲层；
具体的，在MOCVD中生长V型坑缓冲层，生长温度为930℃，生长压力为200torr，通入NH3作为N源，通入TMIn作为In源，通入TEGa作为Ga源，通入TMAL作为Al源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：1。
（Ⅱ）在V型坑缓冲层上生长MgN层；
具体的，在MOCVD中生长MgN层，生长温度为700℃，生长压力为200torr，通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为Mg源，生长时以N2作为载气。
（Ⅲ）在MgN层上生长V型坑填平层；
具体的，在MOCVD中周期性生长AlGaN层和GaN层，作为V型坑填平层。V型坑填平层的生长温度为930℃，生长压力为200torr。生长AlGaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源，以N2作为载气；生长GaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMGa作为Ga源，以H2作为载气。
（Ⅳ）在V型坑填平层上生长V型坑缺陷阻挡层；
具体的，在MOCVD中周期性生长AlN层和MgGaN层作为V型坑缺陷阻挡层。V型坑缺陷阻挡层的生长温度为980℃，生长压力为200torr。生长AlN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：1。生长MgGaN层时，在MOCVD中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为Mg源，通入TEGa作为Ga源，生长时采用的载气为N2和H2的混合气，其中N2和H2的体积比为1：1。
（8）在V型坑层上生长P-GaN层；
具体的，在MOCVD中生长P-GaN层，生长温度为900℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入CP2Mg作为P型掺杂源；以H2和N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
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，不设置V型坑层6，且不对多量子阱层5进行刻蚀，仅通过正常生长形成少量V型坑。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，不设置V型坑层6。相应的，在制备方法中，也不设置该层的制备步骤，其余均与实施例1相同。
对比例3
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，V型坑层6中不包括V型坑填平层62和V型坑缺陷阻挡层63。相应的，在制备方法中，也不设置上述两层的制备步骤，其余均与实施例1相同。
对比例4
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，V型坑层6中不包括V型坑缺陷阻挡层63，相应的，在制备方法中，也不设置该层的制备步骤，其余均与实施例1相同。
对比例5
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，V型坑缓冲层61中In组分的占比为0.15（保持恒定），Al组分的占比为0.1（保持恒定），其余均与实施例1相同。
将实施例1-实施例3，对比例1-对比例5所得的发光二极管外延片进行亮度、发光波长和抗静电能力测试，具体测试方法如下：
（1）将外延片制备成10mil×24mil的垂直结构的芯片，测试其发光亮度；每个实施例、对比例均测试20个，取测试值的标准差，作为亮度分布均匀性；
（2）发光波长均匀性：取各实施例、对比例所制备得到的20个外延片，分别测定其发光波长，并计算其相对标准差，即为发光波长均匀性；
（3）抗静电性能测试：在HBM（人体放电模型）模型下运用静电仪对芯片的抗静电性能进行测试，测试芯片能承受反向8000V静电的通过比例。
具体结果如下：
由表中可以看出，将传统的V型坑（对比例1）变成本发明中的刻蚀形成的V型坑，并引入V型坑层后，亮度由193.1mW提升至195.2mW，亮度均匀性由5.68改善至3.97，发光波长均匀性由1.62改善至1.42，抗静电能力由89.5%提升至94.2%，表明本发明中的V型坑层可有效提升亮度、提高亮度分布均匀性、提高发光波长均匀性并提高抗静电能力。此外，通过实施例1与对比例2-对比例5的对比可以看出，当变更本发明中的V型坑层结构时，难以有效起到提升亮度、提高亮度分布均匀性、提高发光波长均匀性并提高抗静电能力的效果。
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。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片，包括衬底和依次设于所述衬底上的形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、V型坑层和P-GaN层；其特征在于，所述V型坑层包括依次层叠于所述多量子阱层上的V型坑缓冲层、V型坑填平层和V型坑缺陷阻挡层；
所述多量子阱层设有多个经刻蚀得到的V型坑，其中，V型坑的深度小于或等于所述多量子阱层的厚度；
所述V型坑缓冲层为InAlGaN层，其In组分的占比沿外延生长的方向逐渐降低，Al组分的占比沿外延生长的方向逐渐升高；
所述V型坑填平层为AlGaN层和GaN层交替生长形成的周期性结构，所述V型坑缺陷阻挡层包括AlN层。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述V型坑的开口尺寸为100nm-140nm，分布密度为1×108个/cm2-1×1010个/cm2。
3.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述V型坑缓冲层中In组分的占比沿外延生长的方向由0.05-0.15逐渐降低至0，Al组分的占比沿外延生长的方向由0逐渐增加至0.05-0.1，所述V型坑缓冲层的厚度为0.5nm-3nm；
所述V型坑填平层的周期数为5-10，其中，所述AlGaN层中Al组分的占比为0.3-0.5，单个所述AlGaN层的厚度为1nm-5nm，单个所述GaN层的厚度为5nm-10nm；
所述V型坑缺陷阻挡层中Al组分的占比为0.3-0.6，其厚度为1nm-20nm。
4.如权利要求1-3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述V型坑缺陷阻挡层为AlN层和MgGaN层交替生长形成的周期性结构，周期数为3-6，其中，单个所述AlN层的厚度为0.5nm-3nm；所述MgGaN层中Mg的掺杂浓度为1×1016cm-3-1×1017cm-3，单个所述MgGaN层的厚度为0.5nm-3nm。
5.如权利要求1-3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述V型坑层中还包括MgN层，所述MgN层设于所述V型坑缓冲层和所述V型坑填平层之间；所述MgN层中Mg组分的占比为0.3-0.6，所述MgN层的厚度为3nm-10nm。
6.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1-5任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，包括：
提供衬底，在所述衬底上依次生长形核层、本征GaN层、N-GaN层、多量子阱层、V型坑层和P-GaN层；所述V型坑层包括依次层叠于所述多量子阱层上的V型坑缓冲层、V型坑填平层和V型坑缺陷阻挡层；
所述多量子阱层设有多个经刻蚀得到的V型坑，其中，V型坑的深度小于或等于所述多量子阱层的厚度；
所述V型坑缓冲层为InAlGaN层，其In组分的占比沿外延生长的方向逐渐降低，Al组分的占比沿外延生长的方向逐渐升高；
所述V型坑填平层为AlGaN层和GaN层交替生长形成的周期性结构，所述V型坑缺陷阻挡层包括AlN层。
7.如权利要求6所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，通过ICP刻蚀在所述多量子阱层上形成多个V型坑，刻蚀功率为200W-400W，刻蚀使用的气体为Cl2和N2的混合气体，其中，Cl2和N2的体积比为1：（1-2）；
所述V型坑缓冲层的生长温度为900℃-950℃，生长压力为100torr-300torr；
所述V型坑填平层的生长温度为900℃-950℃，生长压力为100torr-300torr；
所述V型坑缺陷阻挡层的生长温度为950℃-1000℃，生长压力为100torr-300torr。
8.如权利要求6或7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述V型坑缺陷阻挡层为AlN层和MgGaN层交替生长形成的周期性结构，所述V型坑缺陷阻挡层的生长温度为950℃-1000℃，生长压力为100torr-300torr。
9.如权利要求6或7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述V型坑层中还包括MgN层，所述MgN层设于所述V型坑缓冲层和所述V型坑填平层之间，所述MgN层的生长温度为600℃-800℃，生长压力为100torr-300torr。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的发光二极管外延片。
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