CN116190522B - 一种高光效发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents

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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GaN基衬底以及依次沉积在GaN基衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和p型GaN层；其中，空穴注入层具有与多量子阱层适配的V形坑结构，其包括依次沉积在多量子阱层的V形坑结构侧壁上的AlN层和MgN纳米棒层，以及依次沉积在MgN纳米棒层上的MgAlGaN包覆层和MgInGaN层。通过本申请，可以有效降低载流子易被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，以及提升空穴从V形坑侧壁的注入效率、均匀性，从而提升发光二极管的发光效率。

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
V-Pits结构是在氮化镓材料中普遍存在的一种体缺陷，从迎着材料生长的c方向观测，V-Pits结构形状为倒立的中空六棱锥形，底部尖端通常连接着一个线位错，因其断面两侧呈V字形，故称V缺陷或V形坑。
商业化的GaN基LED器件通常生长在蓝宝石、SiC或Si等异质衬底上。由于GaN与衬底之间存在晶格失配以及热失配的缺陷，目前商业化的GaN基LED器件中穿透位错密度达108～1010个/cm2，并且这些穿透位错在生长量子阱时形成V形坑。目前，针对具有V形坑的量子阱的GaN基LED器件，载流子易被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获导致辐射复合效率较低，以及由于GaN基LED器件通常空穴有效质量大、迁移率低且浓度相对较小，导致空穴从V形坑侧壁的注入效率较低、均匀性较差，从而限制了GaN基LED器件的发光效率。
因此，如何降低载流子易被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，以及提升空穴从V形坑侧壁的注入效率、均匀性，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，可以有效降低载流子易被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，以及提升空穴从V形坑侧壁的注入效率、均匀性，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GaN基衬底以及依次沉积在所述GaN基衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和p型GaN层；所述多量子阱层朝向空穴注入层的表面形成V形坑结构；
其中，所述空穴注入层具有与所述多量子阱层适配的V形坑结构，其包括依次沉积在所述多量子阱层的V形坑结构侧壁上的AlN层和MgN纳米棒层，以及依次沉积在所述MgN纳米棒层上的MgAlGaN包覆层和MgInGaN层。
相比现有技术，本发明的有益效果为：首先，通过在V形坑结构的多量子阱层上沉积具有与所述多量子阱层适配的V形坑结构的空穴注入层；该空穴注入层在所述多量子阱层适配的V形坑结构侧壁沉积AlN层，可提高禁带宽度，使得在多量子阱层上穿透位错周围形成具有数百个meV大小的势垒包围圈以阻碍载流子接近穿透位错，从而避免载流子被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，提高发光二极管外延片的辐射复合效率。其次，因为空穴从V形坑侧壁注入所需克服的势垒高度要远低于从平台注入所需克服的势垒高度，V形坑起到促进空穴注入、改善有源区中空穴分布均匀性的作用，通过沉积在AlN层上的MgN纳米棒层、MgAlGaN包覆层可提高空穴从V型侧壁的注入效率。再次，沉积MgInGaN层可提高活化Mg的浓度，提高空穴数量，提供足够的空穴的注入到量子阱与电子发生复合，由于Mg受主的能级较深，室温下Mg的电离率只有1%左右，而掺杂In原子可有效降低Mg的激活能，大大提高活化Mg浓度及空穴数量。通过空穴注入层的设置可以有效降低载流子易被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，以及提升空穴从V形坑侧壁的注入效率、均匀性，从而提升发光二极管的发光效率。
较佳地，所述MgN纳米棒层包括MgN纳米棒，所述MgN纳米棒直径为0.5nm～10nm、长度为1nm～20nm，以及相邻两MgN纳米棒的间距为1nm～50nm。
较佳地，所述MgAlGaN包覆层的Al组分为0.1～0.15，所述MgInGaN层的In组分为0.03～0.07。
较佳地，所述MgAlGaN包覆层的Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm3～1E20atoms/cm3，所述MgInGaN层Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm3～1E21atoms/cm3。
较佳地，所述AlN层的生长厚度为0.5nm～5nm，所述MgAlGaN包覆层的生长厚度为1nm～50nm，所述MgInGaN层的生长厚度为1nm～100nm。
较佳地，所述多量子阱层包括周期性交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。
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GaN基衬底；
在所述GaN基衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层；其中，所述多量子阱层朝向空穴注入层的表面形成V形坑结构；
在所述多量子阱层沉积所述空穴注入层；其中，所述空穴注入层具有与所述多量子阱层适配的V形坑结构，其包括依次沉积在所述多量子阱层的V形坑结构侧壁上的AlN层和MgN纳米棒层，以及依次沉积在所述MgN纳米棒层上的MgAlGaN包覆层和MgInGaN层；
在所述MgInGaN层上依次沉积电子阻挡层和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：采用该制备方法相比现有制备方法新增制备空穴注入层，可以有效降低载流子易被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，以及提升空穴从V形坑侧壁的注入效率、均匀性，从而提升发光二极管的发光效率。
较佳地，所述AlN层的生长气氛采用N2及NH3成分比1：10～10：1的混合气；所述MgN纳米棒层、所述MgAlGaN包覆层以及所述MgInGaN层的生长气氛均采用N2、H2及NH3成分比1：1：1～1：10：10的混合气。
较佳地，所述AlN层的生长温度为750℃～950℃，所述MgN纳米棒层、所述MgAlGaN包覆层及所述MgInGaN层的生长温度均为650℃～850℃。
较佳地，所述AlN层、所述MgN纳米棒层、所述MgAlGaN包覆层及所述MgInGaN层生长压力均为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-GaN基衬底；
20-缓冲层；
30-非掺杂GaN层；
40-n型GaN层；
50-多量子阱层；
60-空穴注入层、61-AlN层、62-MgN纳米棒层、63-MgAlGaN包覆层、64-MgInGaN层；
70-电子阻挡层；
80-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GaN基衬底10及依次沉积在所述GaN基衬底10上的缓冲层20、非掺杂GaN层30、n型GaN层40、多量子阱层50、电子阻挡层70和p型GaN层80。将本对照例的发光二极管外延片采用芯片制造工艺制成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30.5lm，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GaN基衬底10及依次沉积在所述GaN基衬底10上的缓冲层20、非掺杂GaN层30、n型GaN层40、多量子阱层50、空穴注入层60、电子阻挡层70和p型GaN层80。需要说明的是，由于GaN与衬底之间存在晶格失配以及热失配的缺陷，GaN基LED器件中穿透位错密度高达108～1010个/cm2，并且这些穿透位错在生长量子阱时形成V形坑，因此，本实施例的所述多量子阱层50朝向所述空穴注入层60的表面形成V形坑结构。优选地，所述空穴注入层具有与所述多量子阱层适配的V形坑结构，其包括依次沉积在所述多量子阱层的V形坑结构侧壁上的AlN层和MgN纳米棒层，以及依次沉积在所述MgN纳米棒层上的MgAlGaN包覆层和MgInGaN层。
其中，本实施例的GaN基衬底10选用蓝宝石衬底；因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。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10nm～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层的生长温度为1100℃、生长压力为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1um～5um，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100torr～600torr选用生长压力。
其中，本实施例的n型GaN层40的厚度为3um。具体地，n型GaN层的生长温度为1120℃，生长压力为100torr，Si掺杂浓度为2.5E19atoms/cm3。首先n型GaN层为LED发光提供充足电子，其次n型GaN层的电阻率要比p-GaN上的透明电极的电阻率高，因此足够浓度的Si掺杂，可以有效的降低n型GaN层电阻率，最后n型GaN层足够的厚度可以有效释放应力发光二极管的发光效率。需要说明的是，其他实施例中，n型GaN层的沉积应在1050℃～1200℃选用生长温度，在100torr～600torr选用生长压力，并且控制Si掺杂浓度范围为1E19atoms/cm3～5E19atoms/cm3。
其中，本实施例的多量子阱层50由堆叠周期数为10个的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层构成，多量子阱为电子和空穴复合的区域，合理的结构设计可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。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量子阱层的生长厚度为3.5nm，其生长温度为795℃，生长压力为200torr，In组分为0.22；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，其它实施例的多量子阱层的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2nm～5nm范围内选取，采用的生长压力应在50torr～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0.05～0.3范围内选取。AlGaN量子阱层的厚度应在5nm～15nm范围内选取，采用的生长压力应在50torr～300torr范围内选取，采用的生长温度应在800℃～900℃范围内选取，Al组分应在0.01～0.1范围内选取。
其中，本实施例的空穴注入层60具有与所述多量子阱层50适配的V形坑结构；所述空穴注入层60包括依次沉积在所述多量子阱层50的V形坑结构侧壁上的AlN层61和MgN纳米棒层62，以及依次沉积在所述MgN纳米棒层62上的MgAlGaN包覆层63和MgInGaN层64。
进一步地，本实施例的AlN层61的厚度为1.5nm。具体地，AlN层的生长温度为840℃，生长压力为200torr，生长气氛采用N2、NH3成分比2:3的混合气。本实施例通过在多量子阱层的V型坑的侧壁沉积AlN层，禁带宽度更大，因此在穿透位错周围形成具有数百个meV大小的势垒包围圈，可以阻碍载流子接近位错，从而避免载流子被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，以使提高辐射复合效率。需要说明的是，其他实施例中，AlN层的沉积应在0.5nm～5nm范围选用生长厚度，在750℃～950℃范围选用生长温度，在50torr～300torr范围选用生长压力，在1:10～10:1范围选用N2、NH3成分比。
进一步地，本实施例的MgN纳米棒层62的MgN纳米棒直径为2nm，MgN纳米棒的长度为5nm，相邻两MgN纳米棒的间距为15nm。具体地，MgN纳米棒层的生长温度为760℃，生长压力为200torr，生长气氛采用N2、H2、NH3成分比1：5：3的混合气。由于空穴从V形坑侧壁注入所需克服的势垒高度（204meV），要远低于从平台注入所需克服的势垒高度（306meV），所以V形坑促进空穴注入、改善有源区中空穴分布均匀性的作用，因此本实施例中沉积的MgN纳米棒层可以提高空穴从V型侧壁的注入效率。需要说明的是，其他实施例中，MgN纳米棒层中的MgN纳米棒应在0.5nm～10nm范围内选用直径，在1nm～20nm范围内选用长度，在1nm～50nm范围内选用间距，在1:1:1～1：10:10范围选用N2、H2、NH3成分比。
进一步地，本实施例的MgAlGaN包覆层63的生长厚度为10nm。具体地，MgAlGaN包覆层的生长温度为760℃，生长压力为200torr，生长气氛采用N2、H2、NH3成分比1：5：3的混合气，MgAlGaN包覆层的Mg掺杂浓度为6.5E18atoms/cm3；并且MgAlGaN包覆层的Al组分为0.1。由于空穴从V形坑侧壁注入所需克服的势垒高度（204meV），要远低于从平台注入所需克服的势垒高度（306meV），所以V形坑促进空穴注入、改善有源区中空穴分布均匀性的作用，因此本实施例中沉积的MgAlGaN包覆层可以提高空穴从V型侧壁的注入效率。需要说明的是，其他实施例中，MgAlGaN包覆层的沉积应在1nm～50nm范围选用生长厚度，在650℃～850℃范围选用生长温度，在50torr～300torr范围选用生长压力，在1E18atoms/cm3～1E20atoms/cm3范围选用Mg掺杂浓度，在0.1～0.15范围内选用Al组分，在1：1：1～1：10：10范围选用N2、H2、NH3成分比。
进一步地，本实施例的MgInGaN层64的厚度为15nm。具体地，MgInGaN层的生长温度为760℃，生长压力为200torr，生长气氛采用N2、H2、NH3成分比1：5：3的混合气，MgInGaN层的Mg掺杂浓度为3.5E20atoms/cm3；并且MgInGaN层的In组分0.05。由于Mg受阻的能级较深（约为170meV），室温下Mg的电离率只有1%左右，而掺杂In原子可以有效降低Mg的激活能，大大提高活化Mg浓度及空穴数量，提供足够的空穴的注入到量子阱与电子发生复合。需要说明的是，其他实施例中，MgInGaN层的沉积应在1nm～100nm范围选用生长厚度，在650℃～850℃范围选用生长温度，在50torr～300torr范围选用生长压力，在1E19atoms/cm3～1E21atoms/cm3范围选用Mg掺杂浓度，在0.03～0.07范围内选用Al组分，在1：1：1～1：10：10范围选用N2、H2、NH3成分比。
其中，本实施例的电子阻挡层70为厚度15nm的AlxInyGaN层。具体地，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0.005，In组分浓度为0.015，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。需要说明的是，其他实施例中，电子阻挡层的厚度应在10nm～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100torr～300torr范围内选取，Al组分0.005＜x＜0.01,In组分浓度为0.01＜y＜0.2。
其中，本实施例的p型GaN层80的厚度为15nm。具体地，p型GaN层所采用的生长温度为985℃，生长压力为200torr，并且，p型GaN层的Mg掺杂浓度2E20atoms/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。因此，其他实施例中，Mg掺杂浓度应在1E19atoms/cm3～1E21atoms/cm3范围内选取。需要说明的是，其他实施例中，p型GaN层的厚度应在10nm～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100torr～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H2的气氛进行预处理1min～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缓冲层上生长非掺杂GaN层。
具体地，非掺杂GaN层的生长温度为1100℃，生长压力为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；
具体地，n型GaN层的生长温度为1120℃，生长压力为100torr，Si掺杂浓度为2.5E19atoms/cm3。由于n型GaN层为LED发光提供充足电子，以及n型GaN层的电阻率要比p-GaN上的透明电极的电阻率高，因此足够浓度的Si掺杂，可以有效的降低n型GaN层电阻率；并且n型GaN层足够的厚度可以有效释放应力发光二极管的发光效率。
S05，在n型GaN层上生长多量子阱层；
其中，多量子阱层包括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℃，生长厚度为3.5nm，生长压力200torr，In组分为0.22；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，在多量子阱层上生长空穴注入层；
其中，空穴注入层包括依次沉积在多量子阱层的V形坑结构侧壁上的AlN层和MgN纳米棒层，以及依次沉积在所述MgN纳米棒层上的MgAlGaN包覆层和MgInGaN层。具体地，AlN层的生长厚度为1.5nm，生长温度为840℃，生长压力为200torr，生长气氛采用N2、NH3成分比2:3的混合气；MgN纳米棒层的MgN纳米棒直径为2nm，MgN纳米棒的长度为5nm，相邻两MgN纳米棒的间距为15nm，生长温度为760℃，生长压力为200torr，生长气氛采用N2、H2、NH3成分比1：5：3的混合气；MgAlGaN包覆层的生长厚度为10nm，生长温度为760℃，生长压力为200torr，生长气氛采用N2、H2、NH3成分比1：5：3的混合气，MgAlGaN包覆层的Al组分为0.1；MgInGaN层的厚度为15nm，MgInGaN层的生长温度为760℃，生长压力为200torr，生长气氛采用N2、H2、NH3成分比1：5：3的混合气，MgInGaN层的In组分0.05。通过上述制备参数，首先在V型坑侧壁沉积AlN层，禁带宽度更大，在穿透位错周围形成具有数百个meV大小的势垒包围圈，阻碍载流子接近位错，从而避免载流子被位错处的非辐射复合中心所捕获，提高辐射复合效率。其次沉积的MgN纳米棒层、MgAlGaN包覆层提高空穴从V型侧壁的注入效率，由于空穴从V形坑侧壁注入所需克服的势垒高度要远低于从平台注入所需克服的势垒高度，所以V形坑促进空穴注入、改善空穴分布均匀性的作用。最后沉积MgInGaN层可以提高活化Mg浓度及空穴数量，提供足够的空穴的注入到量子阱与电子发生复合，提升发光二极管的发光效率。
S07，在空穴注入层上生长电子阻挡层；
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0.005，In组分浓度为0.015，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。
S08，在电子阻挡层上生长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32.03lm，较对照例提升了5%，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MgN纳米棒直径为1.5nm、长度为3.5nm，以及相邻两MgN纳米棒的间距为18nm。
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31.57lm，较对照例提升了3.5%，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MgN纳米棒直径为3nm、长度为8nm，以及相邻两MgN纳米棒的间距为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31.35lm，较对照例提升了2.8%，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AlN层的生长厚度为3nm，MgAlGaN包覆层的生长厚度为12nm，MgInGaN层的生长厚度为20nm。
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31.48lm，较对照例提升了3.2%，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AlN层的生长厚度为0.5nm，MgAlGaN包覆层的生长厚度为7nm，MgInGaN层的生长厚度为10nm。
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31.11lm，较对照例提升了2.0%，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MgAlGaN包覆层的Al组分为0.15，MgInGaN层的In组分为0.07。
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31.57lm，较对照例提升了3.5%，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MgAlGaN包覆层的Al组分为0.05，MgInGaN层的In组分为0.03。
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31.05lm，较对照例提升了1.8%，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MgAlGaN包覆层的Mg掺杂浓度为1E20atoms/cm3，MgInGaN层的Mg掺杂浓度为1E21atoms/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31.57lm，较对照例提升了3.5%，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MgAlGaN包覆层的Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm3，MgInGaN层的Mg掺杂浓度为1E19atoms/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31.05lm，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MgN纳米棒直径为10nm、长度为20nm，以及相邻两MgN纳米棒的间距为50nm；AlN层的生长厚度为5nm，MgAlGaN包覆层的生长厚度为50nm，MgInGaN层的生长厚度为100nm；AlN层的生长气氛采用N2及NH3成分比1：10的混合气；MgN纳米棒层、MgAlGaN包覆层以及MgInGaN层的生长气氛均采用N2、H2及NH3成分比1：1：1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31.11lm，较对照例提升了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MgN纳米棒直径为0.5nm、长度为1nm，以及相邻两MgN纳米棒的间距为1nm；AlN层的生长气氛采用N2及NH3成分比10:1的混合气；MgN纳米棒层、MgAlGaN包覆层以及MgInGaN层的生长气氛均采用N2、H2及NH3成分比1:10:10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30.96lm，较对照例提升了1.5%，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
Figure SMS_1
从表1可知，本发明通过以下设置：相比现有技术在多量子阱层及电子阻挡层之间增设空穴注入层；其中，空穴注入层具有与多量子阱层适配的V形坑结构，其包括依次沉积在所述多量子阱层的V形坑结构侧壁上的AlN层和MgN纳米棒层，以及依次沉积在所述MgN纳米棒层上的MgAlGaN包覆层和MgInGaN层。通过上述设置，具有以下有益效果：
其一，在V型坑侧壁沉积AlN层，使得禁带宽度更大，在穿透位错周围形成具有数百个meV大小的势垒包围圈，阻碍载流子接近位错，从而避免载流子被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，提高了辐射复合效率。
其二，由于空穴从V形坑侧壁注入所需克服的势垒高度要远低于从平台注入所需克服的势垒高度，所以V形坑具有促进空穴注入、改善空穴分布均匀性的作用，通过沉积的MgN纳米棒层、MgAlGaN包覆层可以提高空穴从V型侧壁的注入效率。
其三，由于Mg受阻的能级较深，室温下Mg的电离率只有1%左右，而掺杂In原子可以有效降低Mg的激活能，大大提高活化Mg浓度及空穴数量，通过沉积MgInGaN层可以提高活化Mg的浓度及空穴数量，提供足够的空穴的注入到量子阱与电子发生复合。
综上所述，增设的空穴注入层可以有效降低载流子易被穿透位错处的非辐射复合中心所捕获，以及提升空穴从V形坑侧壁的注入效率、均匀性，从而提升发光二极管的发光效率。
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)

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，包括GaN基衬底以及依次沉积在所述GaN基衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、空穴注入层、电子阻挡层和p型GaN层；所述多量子阱层朝向空穴注入层的表面形成V形坑结构；
其中，所述空穴注入层具有与所述多量子阱层适配的V形坑结构，其包括依次沉积在所述多量子阱层的V形坑结构侧壁上的AlN层和MgN纳米棒层，以及依次沉积在所述MgN纳米棒层上的MgAlGaN包覆层和MgInGaN层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述MgN纳米棒层包括MgN纳米棒，所述MgN纳米棒直径为0.5nm～10nm、长度为1nm～20nm，以及相邻两MgN纳米棒的间距为1nm～50nm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述MgAlGaN包覆层的Al组分为0.1～0.15，所述MgInGaN层的In组分为0.03～0.07。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述MgAlGaN包覆层的Mg掺杂浓度为1E18atoms/cm3～1E20atoms/cm3，所述MgInGaN层的Mg掺杂浓度为1E19atoms/cm3～1E21atoms/cm3。
5.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述AlN层的生长厚度为0.5nm～5nm，所述MgAlGaN包覆层的生长厚度为1nm～50nm，所述MgInGaN层的生长厚度为1nm～100nm。
6.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述多量子阱层包括周期性交替堆叠的InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。
7.一种如权利要求1～6任意一项所述的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GaN基衬底；
在所述GaN基衬底上依次沉积缓冲层、非掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层；其中，所述多量子阱层朝向空穴注入层的表面形成V形坑结构；
在所述多量子阱层沉积所述空穴注入层；其中，所述空穴注入层具有与所述多量子阱层适配的V形坑结构，其包括依次沉积在所述多量子阱层的V形坑结构侧壁上的AlN层和MgN纳米棒层，以及依次沉积在所述MgN纳米棒层上的MgAlGaN包覆层和MgInGaN层；
在所述MgInGaN层上依次沉积电子阻挡层和p型GaN层，以完成发光二极管外延片的制备。
8.根据权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述AlN层的生长气氛采用N2及NH3成分比1：10～10：1的混合气；所述MgN纳米棒层、所述MgAlGaN包覆层以及所述MgInGaN层的生长气氛均采用N2、H2及NH3成分比1：1：1～1：10：10的混合气。
9.根据权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述AlN层的生长温度为750℃～950℃，所述MgN纳米棒层、所述MgAlGaN包覆层及所述MgInGaN层的生长温度均为650℃～850℃。
10.根据权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述AlN层、所述MgN纳米棒层、所述MgAlGaN包覆层及所述MgInGaN层生长压力均为50torr～300torr。
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