CN116914049A - 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衬底上的形核层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；电子阻挡层包括：阵列分布于所述多量子阱层上的多个AlN纳米柱；生长于所述AlN纳米柱上的三维AlN层；所述三维AlN层的底部一一对应生长于所述AlN纳米柱上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞；生长于所述三维AlN层上的二维BGaN层。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率。

Description

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
常见的GaN基发光二极管外延片包括：衬底、以及在所述衬底上依次生长的形核层、本征GaN层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层。由于电子迁移率过高，空穴迁移率低，导致多量子阱空穴不足，影响发光效率；因此现有技术中多采用高Al掺杂的AlGaN或AlGaN/InGaN超晶格材料作为电子阻挡层，但是其本身也会阻挡一部分空穴，影响空穴注入效率。此外，由于发光二极管外延片内存在全反射，导致光提取效率不高。这些都影响了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形核层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括：
阵列分布于所述多量子阱层上的多个AlN纳米柱；
生长于所述AlN纳米柱上的三维AlN层；所述三维AlN层的底部一一对应生长于所述AlN纳米柱上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞；
生长于所述三维AlN层上的二维BGaN层。
作为上述技术方案的改进，所述AlN纳米柱的高度为5～15nm，直径为2～10nm；
所述三维AlN层的厚度为10～30nm；
所述二维BGaN层的厚度为10～30nm，其B组分占比为0.2～0.4。
作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层还包括InAlN层，其生长于所述多量子阱层上；
所述InAlN层的厚度为5～20nm。
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型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括：
阵列分布于所述多量子阱层上的多个AlN纳米柱；
生长于所述AlN纳米柱上的三维AlN层；所述三维AlN层的底部一一对应生长于所述AlN纳米柱上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞；
生长于所述三维AlN层上的二维BGaN层。
作为上述技术方案的改进，所述AlN纳米柱的生长温度为500～850℃，生长压力为300～600torr，V/III比为1000～2500；
所述三维AlN层的生长温度为500～1000℃，生长压力为200～600torr，V/III比为1000～2500；
所述二维BGaN层的生长温度为950～1000℃，生长压力为50～200torr。
作为上述技术方案的改进，所述AlN纳米柱的生长温度由750～850℃递减至500～700℃，生长压力由300～400torr递增至500～600torr；V/III比由1500～2500递减至1000～1500；
所述三维AlN层的生长温度由500～700℃递增至950～1000℃，生长压力由500～600torr递减至200～300torr；V/III比由500～1000递增至1500～2500。
作为上述技术方案的改进，所述电子阻挡层还包括InAlN层；
所述InAlN层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～300torr。
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，电子阻挡层包括AlN纳米柱、三维AlN层和二维BGaN层。其中，三维AlN层的底部一一对应生长于AlN纳米柱上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞。这种纳米孔洞可大幅促进空穴的运动，使得空穴更容易通过，成为了空穴进入多量子阱层的“载流子通道”，大大减弱了传统板块状的电子阻挡层对空穴的阻挡作用，而AlN材质的AlN纳米柱和三维AlN层能阶较高，可有效阻挡电子溢流。此外，这种纳米孔洞也可增加光线的漫反射，提升光提取效率。两者复合，有效提升了发光二极管外延片的发光效率。
其中，二维BGaN层的能阶较高，可进一步增加对电子的阻挡作用。此外，B原子较小，二维BGaN层的晶格质量高，可阻挡纳米孔洞区生长留下的缺陷。此外，对比传统的AlGaN电子阻挡层材料，BGaN材料中B原子不存在Al原子那样大的“粘滞”效应，相应，B原子更容易分布均匀，电子阻挡效果更好。
2.本发明的发光二极管外延片中，电子阻挡层还包括了InAlN层，其设置在多量子阱层和AlN纳米柱之间，InAlN层增加了多量子阱层与AlN纳米柱、三维AlN层的晶格匹配程度，消除了应力产生的能带尖峰，提升了空穴注入多量子阱层的效率，进一步提升了发光效率。
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电子阻挡层的结构示意图；
图3是本发明另一实施例中电子阻挡层的结构示意图；
图4是本发明又一实施例中电子阻挡层的结构示意图；
图5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和图2，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型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型GaN层7。其中，电子阻挡层6包括：阵列分布于多量子阱层5上的多个AlN纳米柱61，生长于AlN纳米柱61上的三维AlN层62；三维AlN层62的底部一一对应生长于AlN纳米柱61上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞63；生长于三维AlN层62上的二维BGaN层64。
其中，AlN纳米柱61的高度为5～20nm，当其高度＜5nm时，难以形成纳米孔洞63，对空穴的传输作用差；当其高度＞20nm时，后续三维AlN层62难以有效合并，也难以形成纳米孔洞63。示例性的，AlN纳米柱61的高度为6nm、8nm、10nm、12nm或14nm，但不限于此。优选的，AlN纳米柱61的高度为10～20nm。
AlN纳米柱61的直径为1～15nm，当其直径＜1nm时，三维AlN层62难以有效合并，形成纳米孔洞63；当其直径＞10mm时，提升光提取效率作用较差。示例性的，AlN纳米柱61的直径为2nm、4nm、6nm、8nm、12nm或13nm，但不限于此。优选的为2～10nm。
优选的，参考图3，在本发明的一个实施例之中，AlN纳米柱61呈圆台状，即下粗上细，直径渐变的结构。具体的，AlN纳米柱的直径由5～10nm递减至2～5nm，基于这种结构，可进一步优化空穴传输，提升发光效率。
其中，三维AlN层62的厚度为5～50nm，当其厚度＜5nm时，难以合并形成纳米孔洞63；当其厚度＞50nm时，积累的晶格失配过多，影响后期P型GaN层7的生长。示例性的为8nm、12nm、16nm、25nm、30nm、42nm或49nm，但不限于此。优选的为10～30nm。
三维AlN层62的底部一一对应生长在AlN纳米柱61上，即其底部的直径与AlN纳米柱61顶部的直径相同，其顶部生长合并，形成层状结构。
其中，二维BGaN层64的厚度为10～30nm，示例性的为12nm、16nm、20nm、24nm或28nm，但不限于此。二维BGaN层64中B组分占比为0.2～0.4，示例性的为0.22、0.24、0.27、0.31、0.34、0.37或0.39，但不限于此。
优选的，参考图4，在本发明的一个实施例之中，电子阻挡层还包括InAlN层65，其设置在多量子阱层5上，AlN纳米柱61阵列分布于InAlN层65之上。通过InAlN层65的设置，可消除势垒尖峰，提升发光效率。尤其是通过与AlN纳米柱61、三维AlN层62形成的纳米孔洞63相结合，提升小电流密度下的发光效率。
InAlN层65的厚度为5～20nm，示例性的为6nm、8nm、10nm、14nm、18nm或19nm，但不限于此。
其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底、SiC衬底、ZnO衬底或GaN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。优选的为AlN层，其厚度为20～100nm，示例性的为25nm、30nm、35nm、40nm、50nm、70nm或85nm，但不限于此。
其中，本征GaN层3的厚度300～800nm，示例性的为350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、700nm或750nm，但不限于此。
其中，N型GaN层4的掺杂元素为Si，但不限于此。N型GaN层4的掺杂浓度为3×1018～4×1019cm-3，示例性的为4×1018cm-3、6×1018cm-3、6×1018cm-3、9×1019cm-3、3×1019cm-3或3.5×1019cm-3，但不限于此。N型GaN层4的厚度为1～3μm，示例性的为1.2μm、1.6μm、2μm、2.4μm、2.8μm或2.9μm，但不限于此。
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3～10nm，示例性的为4nm、5nm、6nm、7nm或8nm，但不限于此。单个GaN量子垒层的厚度为5～15nm，示例性的为6nm、8nm、10nm、12nm或14nm，但不限于此。
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5×1017～1×1021cm-3，示例性的为8×1017cm-3、4×1019cm-3、8×1019cm-3、2×1020cm-3、6×1020cm-3或9×1020cm-3，但不限于此。P型GaN层7的厚度为200～300nm，示例性的为220nm、230nm、240nm、260nm或285nm，但不限于此。
相应的，参考图5，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：
S1：提供衬底；
优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底加载至MOCVD反应室中，在H2气氛中预处理5～8min，处理温度为1000～1200℃，处理压力为200～600torr。
S2：在衬底上依次生长形核层、本征GaN层、N型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；
具体的，步骤S2包括：
S21：在衬底上生长形核层；
其中，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，在本发明的一个实施例之中，MOCVD生长AlGaN层作为形核层，其生长温度为500～700℃，生长压力为200～400torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源。
S22：在形核层上生长本征GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1100～1150℃，生长压力为100～500torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
S23：在本征GaN层上生长N型GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1100～1150℃，生长压力为100～500torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
S24：在N型GaN层上生长多量子阱层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中周期性生长量子阱层和量子垒层，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100～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。GaN量子垒层的生长温度为800～900℃，生长压力为100～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
S25：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之中，S25包括：
S251：在多量子阱层上生长InAlN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中生长InAlN层，其生长温度为850～950℃，生长压力为100～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMIn作为In源，TMAl作为Al源。
S252：在InAlN层上生长AlN纳米柱；
其中，在本发明的一个实施例之中，可先生长AlN层，然后通过光刻刻蚀工艺形成多个阵列分布的AlN纳米柱。优选的，在本发明的另一个实施例之中，通过MOCVD生长AlN纳米柱，其生长温度为500～850℃，生长压力为300～600torr，V/III比为1000～2500。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长AlN纳米柱，且其生长温度由750～850℃递减至500～700℃，生长压力由300～400torr递增至500～600torr；V/III比由1500～2500递减至1000～1500。基于该生长条件，可进一步优化AlN纳米柱的形貌，提升发光效率。
S253：在AlN纳米柱上生长三维AlN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长三维AlN层，其生长温度为500～1000℃，生长压力为200～600torr，V/III比为1000～2500。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
优选的，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长三维AlN层，且其生长温度由500～700℃递增至950～1000℃，生长压力由500～600torr递减至200～300torr；V/III比由500～1000递增至1500～2500。基于该生长条件，可进一步优化AlN纳米柱的形貌，提升发光效率。
S254：在三维AlN层上生长二维BGaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，通过MOCVD生长二维BGaN层，其生长温度为950～1000℃，生长压力为50～200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，BH3作为B源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
S26：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为800～1000℃，生长压力为100～300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂源。
下面以具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
参考图1、图2，本实施例提供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型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型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的厚度为400nm。N型GaN层4的厚度为2μm，掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
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量子阱层和GaN量子垒层。其中，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6包括依次层叠于设于多量子阱层5上的多个AlN纳米柱61，生长于AlN纳米柱61上的三维AlN层62；三维AlN层62的底部一一对应生长于AlN纳米柱61上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞63；生长于三维AlN层62上的二维BGaN层64。
其中，AlN纳米柱61的高度为15nm，直径为8nm。三维AlN层62的厚度为28nm。二维BGaN层64的厚度为22nm，B组分占比为0.22。
P型GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为250nm。
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；
优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底加载至MOCVD反应室中，在H2气氛中预处理8min，处理温度为1100℃，处理压力为400torr。
(2)在衬底上生长形核层；
其中，在MOCVD中生长AlGaN层，作为形核层，其生长温度为620℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源。
(3)在形核层上生长本征GaN层；
其中，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；
其中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
(5)在N型GaN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770℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。GaN量子垒层的生长温度为870℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长AlN纳米柱；
其中，在MOCVD中生长AlN纳米柱，其生长温度为650℃，生长压力为550torr；V/Ⅲ比为1200；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(7)在AlN纳米柱上生长三维AlN层；
其中，在MOCVD中生长三维AlN层，其生长温度为800℃，生长压力为500torr；V/Ⅲ比为1500；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(8)在三维AlN层上生长二维BGaN层；
其中，在MOCVD中生长二维BGaN层，其生长温度为980℃，生长压力为150torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，BH3作为B源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(9)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为880℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂源。
实施例2
参考图1、图3，本实施例提供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型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型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的厚度为400nm。N型GaN层4的厚度为2μm，掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
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量子阱层和GaN量子垒层。其中，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6包括依次层叠于设于多量子阱层5上的多个AlN纳米柱61，生长于AlN纳米柱61上的三维AlN层62；三维AlN层62的底部一一对应生长于AlN纳米柱61上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞63；生长于三维AlN层62上的二维BGaN层64。
其中，AlN纳米柱61的高度为15nm，其为圆台状，即直径从8nm递减至4nm。三维AlN层62的厚度为28nm。二维BGaN层64的厚度为22nm，B组分占比为0.22。
其中，P型GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为250nm。
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；
优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底加载至MOCVD反应室中，在H2气氛中预处理8min，处理温度为1100℃，处理压力为400torr。
(2)在衬底上生长形核层；
其中，在MOCVD中生长AlGaN层，作为形核层，其生长温度为620℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源。
(3)在形核层上生长本征GaN层；
其中，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；
其中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
(5)在N型GaN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770℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。GaN量子垒层的生长温度为870℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长AlN纳米柱；
其中，在MOCVD中生长AlN纳米柱，其生长温度由820℃递减至650℃，生长压力由320torr递增至560torr；V/III比由2000递减至1200。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(7)在AlN纳米柱上生长三维AlN层；
其中，在MOCVD中生长三维AlN层，其生长温度为800℃，生长压力为500torr；V/Ⅲ比为1500；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(8)在三维AlN层上生长二维BGaN层；
其中，在MOCVD中生长二维BGaN层，其生长温度为980℃，生长压力为150torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，BH3作为B源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(9)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为880℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂源。
实施例3
参考图1、图3，本实施例提供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型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型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的厚度为400nm。N型GaN层4的厚度为2μm，掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
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量子阱层和GaN量子垒层。其中，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6包括依次层叠于设于多量子阱层5上的多个AlN纳米柱61，生长于AlN纳米柱61上的三维AlN层62；三维AlN层62的底部一一对应生长于AlN纳米柱61上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞63；生长于三维AlN层62上的二维BGaN层64。
其中，AlN纳米柱61的高度为15nm，其为圆台状，即直径从8nm递减至4nm。三维AlN层62的厚度为28nm。二维BGaN层64的厚度为22nm，B组分占比为0.22。
P型GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为250nm。
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；
优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底加载至MOCVD反应室中，在H2气氛中预处理8min，处理温度为1100℃，处理压力为400torr。
(2)在衬底上生长形核层；
其中，在MOCVD中生长AlGaN层，作为形核层，其生长温度为620℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源。
(3)在形核层上生长本征GaN层；
其中，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；
其中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
(5)在N型GaN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770℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。GaN量子垒层的生长温度为870℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长AlN纳米柱；
其中，在MOCVD中生长AlN纳米柱，其生长温度由820℃递减至650℃，生长压力由320torr递增至560torr；V/III比由2000递减至1200。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(7)在AlN纳米柱上生长三维AlN层；
其中，在MOCVD中生长三维AlN层，其生长温度由530℃递增至960℃，生长压力由550torr递减至240torr；V/III比由800递增至2400。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(8)在三维AlN层上生长二维BGaN层；
其中，在MOCVD中生长二维BGaN层，其生长温度为980℃，生长压力为150torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，BH3作为B源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(9)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为880℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂源。
实施例4
参考图1、图4，本实施例提供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型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型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的厚度为400nm。N型GaN层4的厚度为2μm，掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
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量子阱层和GaN量子垒层。其中，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6包括依次层叠于设于多量子阱层5上的InAlN层65，阵列分布于InAlN层65上的多个AlN纳米柱61，生长于AlN纳米柱61上的三维AlN层62；三维AlN层62的底部一一对应生长于AlN纳米柱61上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞63；生长于三维AlN层62上的二维BGaN层64。
其中，InAlN层65的厚度为15nm。AlN纳米柱61的高度为15nm，其为圆台状，即直径从8nm递减至4nm。三维AlN层62的厚度为28nm。二维BGaN层64的厚度为22nm，B组分占比为0.22。
P型GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为250nm。
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；
优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底加载至MOCVD反应室中，在H2气氛中预处理8min，处理温度为1100℃，处理压力为400torr。
(2)在衬底上生长形核层；
其中，在MOCVD中生长AlGaN层，作为形核层，其生长温度为620℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源。
(3)在形核层上生长本征GaN层；
其中，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；
其中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
(5)在N型GaN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770℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。GaN量子垒层的生长温度为870℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长InAlN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中生长InAlN层，其生长温度为920℃，生长压力为240torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMIn作为In源，TMAl作为Al源。
(7)在多量子阱层上生长AlN纳米柱；
其中，在MOCVD中生长AlN纳米柱，其生长温度由820℃递减至650℃，生长压力由320torr递增至560torr；V/III比由2000递减至1200。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(8)在AlN纳米柱上生长三维AlN层；
其中，在MOCVD中生长三维AlN层，其生长温度由530℃递增至960℃，生长压力由550torr递减至240torr；V/III比由800递增至2400。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(9)在三维AlN层上生长二维BGaN层；
其中，在MOCVD中生长二维BGaN层，其生长温度为980℃，生长压力为150torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，BH3作为B源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(10)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为880℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂源。
实施例5
参考图1、图4，本实施例提供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型GaN层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型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的厚度为400nm。N型GaN层4的厚度为2μm，掺杂元素为Si，Si的掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
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量子阱层和GaN量子垒层。其中，单个InGaN量子阱层的厚度为3nm，单个GaN量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层6包括依次层叠于设于多量子阱层5上的InAlN层65，阵列分布于InAlN层65上的多个AlN纳米柱61，生长于AlN纳米柱61上的三维AlN层62；三维AlN层62的底部一一对应生长于AlN纳米柱61上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞63；生长于三维AlN层62上的二维BGaN层64。
其中，InAlN层65的厚度为15nm。AlN纳米柱61的高度为15nm，其为圆台状，即直径从8nm递减至4nm。三维AlN层62的厚度为28nm。二维BGaN层64的厚度为22nm，B组分占比为0.22。
其中，P型GaN层7的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为2×1020cm-3，厚度为250nm。
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；
优选的，在本发明的一个实施例之中，将衬底加载至MOCVD反应室中，在H2气氛中预处理8min，处理温度为1100℃，处理压力为400torr。
(2)在衬底上生长形核层；
其中，在MOCVD中生长AlGaN层，作为形核层，其生长温度为620℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMAl作为Al源。
(3)在形核层上生长本征GaN层；
其中，在MOCVD中生长本征GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(4)在本征GaN层上生长N型GaN层；
其中，在MOCVD中生长N型GaN层，生长温度为1130℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入SiH4作为N型掺杂源。
(5)在N型GaN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770℃，生长压力为300torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入TMIn作为In源。GaN量子垒层的生长温度为870℃，生长压力为300torr，生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMGa作为Ga源。
(6)在多量子阱层上生长InAlN层；
其中，在本发明的一个实施例之中，在MOCVD中生长InAlN层，其生长温度为920℃，生长压力为240torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2作为载气，通入TMIn作为In源，TMAl作为Al源。
(7)在多量子阱层上生长AlN纳米柱；
其中，在MOCVD中生长AlN纳米柱，其生长温度由820℃递减至650℃，生长压力由320torr递增至560torr；V/III比由2000递减至1200。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(8)在AlN纳米柱上生长三维AlN层；
其中，在MOCVD中生长三维AlN层，其生长温度由530℃递增至960℃，生长压力由550torr递减至240torr；V/III比由800递增至2400。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(9)在三维AlN层上生长二维BGaN层；
其中，在MOCVD中生长二维BGaN层，其生长温度为980℃，生长压力为150torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，BH3作为B源，N2和H2作为载气，通入TMAl作为Al源。
(10)在电子阻挡层上生长P型GaN层；
其中，在MOCVD中生长P型GaN层，生长温度为880℃，生长压力为200torr。生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，N2和H2作为载气，通入TMGa作为Ga源，通入CP2Mg作为P型掺杂源。
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，电子阻挡层为AlGaN层，其Al组分占比为0.5，其厚度为80nm，其通过MOCVD生长，其生长温度为1150℃，生长压力为300torr。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，AlN纳米柱替换为AlN层，其厚度为15nm，其通过PVD法制得，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，电子阻挡层6不包括三维AlN层，相应的，制备方法中也不包含制备该层的步骤，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，电子阻挡层6不包括二维BGaN层，相应的，制备方法中也不包含制备该层的步骤，其余均与实施例1相同。
将实施例1～实施例5，对比例1～对比例4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5mil×7mil的垂直结构的芯片，分别在120mA、60mA、30mA电流下测试其发光亮度；
具体结果如下：
发光亮度(120mA)/mW 发光亮度(60mA)/mW 发光亮度(30mA)/mW
实施例1 201.1 66.8 25.1
实施例2 202.5 67.3 25.3
实施例3 203.1 67.6 25.4
实施例4 203.7 68.1 26.5
实施例5 204.1 68.5 27.3
对比例1 193.3 64.1 22.8
对比例2 194.3 63.6 21.5
对比例3 195.2 64.3 22.6
对比例4 196.3 64.3 22.8
由表中可以看出，当在传统的发光二极管结构(对比例1)中的电子阻挡层换为本发明的电子阻挡层结构时，在不同电流下的发光亮度均有明显提升。
此外，通过实施例1与对比例2～对比例4的对比可以看出，当变更本发明中的电子阻挡层的结构时，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。

Claims (9)

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型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；其特征在于，所述电子阻挡层包括：
阵列分布于所述多量子阱层上的多个AlN纳米柱；
生长于所述AlN纳米柱上的三维AlN层；所述三维AlN层的底部一一对应生长于所述AlN纳米柱上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞；
生长于所述三维AlN层上的二维BGaN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AlN纳米柱的高度为5～15nm，直径为2～10nm；
所述三维AlN层的厚度为10～30nm；
所述二维BGaN层的厚度为10～30nm，其B组分占比为0.2～0.4。
3.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，沿外延片生长方向，所述AlN纳米柱的直径由5～10nm递减为2～5nm。
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，所述电子阻挡层还包括InAlN层，其生长于所述多量子阱层上；
所述InAlN层的厚度为5～20nm。
5.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1～4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型GaN层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层；所述电子阻挡层包括：
阵列分布于所述多量子阱层上的多个AlN纳米柱；
生长于所述AlN纳米柱上的三维AlN层；所述三维AlN层的底部一一对应生长于所述AlN纳米柱上，其顶部生长合并，以形成多个纳米孔洞；
生长于所述三维AlN层上的二维BGaN层。
6.如权利要求5所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述AlN纳米柱的生长温度为500～850℃，生长压力为300～600torr，V/III比为1000～2500；
所述三维AlN层的生长温度为500～1000℃，生长压力为200～600torr，V/III比为1000～2500；
所述二维BGaN层的生长温度为950～1000℃，生长压力为50～200torr。
7.如权利要求5所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述AlN纳米柱的生长温度由750～850℃递减至500～700℃，生长压力由300～400torr递增至500～600torr；V/III比由1500～2500递减至1000～1500；
所述三维AlN层的生长温度由500～700℃递增至950～1000℃，生长压力由500～600torr递减至200～300torr；V/III比由500～1000递增至1500～2500。
8.如权利要求5～7任一项所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述电子阻挡层还包括InAlN层；
所述InAlN层的生长温度为850～950℃，生长压力为100～300torr。
9.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述的发光二极管外延片。
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