CN117133841A - InGaN基绿光发光二极管外延片及其制备方法、LED - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种InGaN基绿光发光二极管外延片及其制备方法、LED，所述InGaN基绿光发光二极管外延片包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、N型半导体层、应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型半导体层；所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。本发明提供的InGaN基绿光发光二极管外延片能够降低多量子阱发光层材料所受的应力和缺陷密度，提高多量子阱发光层的质量，使多量子阱发光层中的辐射复合效率提升，从而提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种InGaN基绿光发光二极管外延片及其制备方法、LED。
背景技术
目前，以InGaN量子阱为有源层的GaN基LED器件在各领域都有广泛应用，但因缺乏合适的同质外延衬底，GaN通常生长在与其有较大晶格失配的蓝宝石、碳化硅或硅衬底上。GaN与衬底间的晶格失配无疑会形成大量的位错缺陷，从而影响其外延质量。此外，长波长的InGaN基LED因量子阱有源层InGaN与GaN之间亦存在较大的晶格失配，InGaN量子阱会受到来自GaN的压应力。不论是位错缺陷还是压应力均会对LED器件的性能产生不良影响。因此为了提高长波长InGaN基LED的发光效率和性能，减小外延层材料所受的应力和降低外延层材料的缺陷密度是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种InGaN基绿光发光二极管外延片，其降低多量子阱发光层材料所受的应力和缺陷密度，提高多量子阱发光层的质量，使多量子阱发光层中的辐射复合效率提升，从而提高发光二极管的发光效率。
本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种InGaN基绿光发光二极管外延片的制备方法，其工艺简单，能够稳定制得发光效率良好的InGaN基绿光发光二极管外延片。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种InGaN基绿光发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、N型半导体层、应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
在一种实施方式中，所述第一多孔GaN层上设有贯穿所述第一多孔GaN层的第一V型孔洞，所述第一V型孔洞的孔洞密度为2×108个/cm2-5×1011个/cm2；
所述第一多孔GaN层的厚度为20nm~500nm；
所述第一多孔GaN层的Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；
所述第一多孔GaN层的生长温度为800℃~950℃。
在一种实施方式中，所述第二多孔GaN层上设有贯穿所述第二多孔GaN层的第二V型孔洞和第三V型孔洞，所述第二V型孔洞的开口尺寸大于所述第三V型孔洞的开口尺寸；
所述第二多孔GaN层的厚度为10nm~180nm；
所述第二多孔GaN层的Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；
所述第二多孔GaN层的生长温度为800℃~950℃。
在一种实施方式中，所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上设有第四V型孔洞和第五V型孔洞，所述第四V型孔洞的开口尺寸大于所述第五V型孔洞的开口尺寸；
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层包括交替层叠的第一InGaN前阱准备层和第一GaN前垒准备层，交替层叠周期数为2~5；
所述第一InGaN前阱准备层的厚度为2.5nm~5nm；
所述第一GaN前垒准备层的厚度为7nm~16nm；
所述第一GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为2×1017atoms/cm3~5×1018atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层填充所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第五V型孔洞，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层在所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第四V型孔洞的基础上设有第六V型孔洞；
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层包括交替层叠的第二InGaN前阱准备层和第二GaN前垒准备层，交替层叠周期数为2~8；
所述第二InGaN前阱准备层的厚度为2.5nm~5nm；
所述第二GaN前垒准备层的厚度为7nm~16nm；
所述第二GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为1.8×1017atoms/cm3~3×1018atoms/cm3。
在一种实施方式中，所述多量子阱发光层上设有第七V型孔洞，所述第七V型孔洞在所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层上的第六V型孔洞的基础上生长得到；
所述多量子阱发光层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，交替层叠周期数为6~15；
所述InGaN量子阱层的厚度为2.5nm~5nm；
所述GaN量子垒层的厚度为7nm~16nm；
所述GaN量子垒层的Si掺杂浓度为1.2×1017atoms/cm3~2×1018atoms/cm3。
为解决上述问题，本发明还提供了一种InGaN基绿光发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、N型半导体层、应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
在一种实施方式中，所述第一多孔GaN层采用下述方法制得：
在沉积所述第一多孔GaN层之前，向反应腔中通入H2和NH3气体，通入时间持续2min~5min，对缓冲层表面进行高温H2气处理，高温H2气处理的温度为950℃~1250℃，压力为100torr~500torr；
然后将反应室的温度控制在800℃~950℃，压力控制在100torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述第一多孔GaN层。
在一种实施方式中，所述第二多孔GaN层采用下述方法制得：
在沉积所述第二多孔GaN层之前，向反应腔中通入H2和NH3气体，通入时间持续2min~5min，对缓冲层表面进行高温H2气处理，高温H2气处理的温度为950℃~1250℃，压力为100torr~500torr；
然后将反应室的温度控制在800℃~950℃，压力控制在100torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述第二多孔GaN层。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的InGaN基绿光发光二极管外延片。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明提供的InGaN基绿光发光二极管外延片，其具有特定结构的应力释放层，所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
一者，所述第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层均为多孔层，能够充分释放外延层材料的应力，有效减少后续外延层材料受到大的应力而产生缺陷，从而提高外延层材料的质量。
二者，在所述应力释放层的基础上生长得到的所述多量子阱发光层中存在V坑，V坑产生于多层结构的应力释放层，并贯穿整个发光单元。量子阱在V坑中生长形成侧壁量子阱，其厚度较平台量子阱薄，禁带宽度更小。在载流子注入多量子阱发光层时，V坑侧壁位置的量子阱禁带宽度更小，厚度更薄，通过隧穿作用，载流子在V坑侧壁更容易注入，提高量子阱中电子空穴的匹配度，促进接近N面的量子阱发光，以提高长波长InGaN基绿光发光二极管的发光效率。
三者，所述应力释放层的前三个子层均为多孔结构，第四子层为阱前InGaN/GaN超晶格合并层，能够填充一部分孔洞。所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层不仅有利于充分释放外延层材料的应力，同时能够有效的减少为增强空穴注入而牺牲的侧壁量子阱发光面积，有效的增加发光二极管所需要的平台量子阱的发光面积，从而提高发光二极管的发光效率。
四者，本发明提供的制备方法中，在生长应力释放层的过程中进行两次高温H2气处理，经过H2气处理的所述N型半导体层和所述第一多孔GaN层的表面结晶质量差的材料将被分解，有利于提高后续沉积外延材料的晶体质量，同时形成凹凸不平的粗糙表面，更容易获得尺寸大小相同、分布均匀的V型孔洞，进一步充分释放外延层材料的应力，同时提高外延层材料的质量。
综合以上材料设计和制备工艺，采用本发明制备得到的外延片，能够降低外延层材料所受的应力和缺陷密度，提高多量子阱发光层材料的质量，并在有效的增强有源区中空穴的注入提高量子阱中电子空穴的匹配度的同时，增加发光二极管所需要的平台量子阱的发光面积，使多量子阱发光层中的辐射复合效率提升，从而提高发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明提供的InGaN基绿光发光二极管外延片的结构示意图；
图2为本发明提供的InGaN基绿光发光二极管外延片的制备方法的流程图。
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。
除非另外说明或存在矛盾之处，本文中使用的术语或短语具有以下含义：
本发明中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
为解决上述问题，本发明提供了一种发光二极管外延片，如图1所示，包括衬底100，所述衬底100上依次设有缓冲层200、N型半导体层300、应力释放层400、多量子阱发光层500、电子阻挡层600、P型半导体层700；
所述应力释放层400包括依次层叠在所述N型半导体层300上的第一多孔GaN层401、第二多孔GaN层402、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403、阱前InGaN/GaN超晶格合并层404。
所述应力释放层400的具体结构如下：
在一种实施方式中，所述第一多孔GaN层401上设有贯穿所述第一多孔GaN层401的第一V型孔洞，所述第一V型孔洞的孔洞密度为2×108个/cm2-5×1011个/cm2；所述第一V型孔洞的大小一致，在所述第一多孔GaN层401上排布均匀。在一种实施方式中，所述第一多孔GaN层401的厚度为20nm~500nm；所述第一多孔GaN层401的示例性厚度为50nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm，但不限于此。在一种实施方式中，所述第一多孔GaN层401的Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；优选地，所述第一多孔GaN层401的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3~1×1019atoms/cm3。在一种实施方式中，所述第一多孔GaN层401的生长温度为800℃~950℃。所述第一多孔GaN层401为低温生长的低掺杂Si的多孔GaN层，第一多孔GaN层401有利于充分释放外延层材料的应力，能够有效减少后续外延层材料受到大的应力而产生缺陷，从而提高外延层材料的质量。
需要说明的是，所述第一多孔GaN层401采用下述方法制得：
在沉积所述第一多孔GaN层401之前，向反应腔中通入H2和NH3气体，通入时间持续2min~5min，对缓冲层表面进行高温H2气处理，高温H2气处理的温度为950℃~1250℃，压力为100torr~500torr；然后将反应室的温度控制在800℃~950℃，压力控制在100torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述第一多孔GaN层401。本发明在生长所述第一多孔GaN层401之前进行高温H2气处理，经过H2气处理的所述缓冲层表面结晶质量差的材料将被分解，有利于提高后续沉积外延材料的晶体质量，同时形成凹凸不平的粗糙表面，更容易获得尺寸大小相同、分布均匀的V型孔洞，进一步充分释放外延层材料的应力，同时提高外延层材料的质量。
在一种实施方式中，所述第二多孔GaN层402上设有贯穿所述第二多孔GaN层402的第二V型孔洞和第三V型孔洞，所述第二V型孔洞的开口尺寸大于所述第三V型孔洞的开口尺寸。
需要说明的是，所述第二多孔GaN层402采用下述方法制得：在沉积所述第二多孔GaN层402之前，向反应腔中通入H2和NH3气体，通入时间持续2min~5min，对缓冲层表面进行高温H2气处理，高温H2气处理的温度为950℃~1250℃，压力为100torr~500torr；然后将反应室的温度控制在800℃~950℃，压力控制在100torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述第二多孔GaN层402。在沉积所述第二多孔GaN层402之前，采用高温H2气处理，所述第一多孔GaN层401的表面结晶质量差的材料将被分解，有利于提高后续沉积外延材料的晶体质量，同时形成凹凸不平的粗糙表面，更容易获得尺寸大小相同、分布均匀的V型孔洞，并且在所述第一多孔GaN层401的基础上沉积，最终形成了具有两种孔洞大小的多孔结构材料，大V型孔洞和小V型孔洞，即所述第二V型孔洞和第三V型孔洞，所述第二V型孔洞的开口尺寸大于所述第三V型孔洞的开口尺寸，所述第二V型孔洞的开口位置与所述第一V型孔洞的开口位置相匹配；所述第三V型孔洞的大小相同、分布均匀。优选地，所述第三V型孔洞的孔洞密度为2×108个/cm2-5×1012个/cm2。所述第二多孔GaN层402的上述结构能够更充分地释放外延层材料的应力，更有效地减少后续外延层材料受到大的应力而产生缺陷，从而提高外延层材料的质量。
在一种实施方式中，所述第二多孔GaN层402的厚度为10nm~180nm；所述第二多孔GaN层402的示例性厚度为50nm、100nm、150nm，但不限于此。在一种实施方式中，所述第二多孔GaN层402的Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；优选地，所述第二多孔GaN层402的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3~1×1019atoms/cm3。在一种实施方式中，所述第二多孔GaN层402的生长温度为800℃~950℃。所述第二多孔GaN层402为低温生长的低掺杂Si的多孔GaN层，低温生长能够更好地引入体缺陷V坑，以达到释放外延层材料应力的目的，从而提高外延层材料的质量。
在一种实施方式中，所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上设有第四V型孔洞和第五V型孔洞，所述第四V型孔洞的开口尺寸大于所述第五V型孔洞的开口尺寸。所述第四V型孔洞在所述第二多孔GaN层402的所述第二V型孔洞的基础上生长得到，所述第五V型孔洞在所述第二多孔GaN层402的所述第三V型孔洞的基础上生长得到。
在一种实施方式中，所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403包括交替层叠的第一InGaN前阱准备层和第一GaN前垒准备层，交替层叠周期数为2~5；所述第一InGaN前阱准备层的厚度为2.5nm~5nm；所述第一GaN前垒准备层的厚度为7nm~16nm；所述第一GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为2×1017atoms/cm3~5×1018atoms/cm3。优选地，所述第一InGaN前阱准备层的厚度为3nm~4nm；所述第一GaN前垒准备层的厚度为8nm~15nm；所述第一GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3~1×1018atoms/cm3。所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403继承所述第二多孔GaN层402的多孔形貌，该结构的设计有利于充分释放外延层材料的应力，有利于后续获取高质量的多量子阱发光层。
在一种实施方式中，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层404填充所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403上的第五V型孔洞，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层404在所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403上的第四V型孔洞的基础上设有第六V型孔洞，即所述第六V型孔洞在所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403上的第四V型孔洞的基础上生长得到。
在一种实施方式中，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层404包括交替层叠的第二InGaN前阱准备层和第二GaN前垒准备层，交替层叠周期数为2~8；所述第二InGaN前阱准备层的厚度为2.5nm~5nm；所述第二GaN前垒准备层的厚度为7nm~16nm；所述第二GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为1.8×1017atoms/cm3~3×1018atoms/cm3。优选地，所述第二InGaN前阱准备层的厚度为3nm~4nm；所述第二GaN前垒准备层的厚度为8nm~15nm；所述第二GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3~1×1018atoms/cm3。所述应力释放层的前三个子层均为多孔结构，第四子层为阱前InGaN/GaN超晶格合并层404，能够填充一部分孔洞。所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层404不仅有利于充分释放外延层材料的应力，同时能够有效的减少为增强空穴注入而牺牲的侧壁量子阱发光面积，有效的增加发光二极管所需要的平台量子阱的发光面积，从而提高发光二极管的发光效率。
在一种实施方式中，所述多量子阱发光层500上设有第七V型孔洞，所述第七V型孔洞在所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层404上的第六V型孔洞的基础上生长得到。在一种实施方式中，所述多量子阱发光层500包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，交替层叠周期数为6~15；所述InGaN量子阱层的厚度为2.5nm~5nm；所述GaN量子垒层的厚度为7nm~16nm；所述GaN量子垒层的Si掺杂浓度为1.2×1017atoms/cm3~2×1018atoms/cm3。优选地，所述InGaN量子阱层的厚度为3nm~4nm；所述GaN量子垒层的厚度为8nm~15nm；所述GaN量子垒层的Si掺杂浓度为2×1017atoms/cm3~1×1018atoms/cm3。在所述应力释放层的基础上生长得到的所述多量子阱发光层中存在V坑，V坑产生于多层结构的应力释放层，并贯穿整个发光单元。量子阱在V坑中生长形成侧壁量子阱，其厚度较平台量子阱薄，禁带宽度更小。在载流子注入多量子阱发光层时，V坑侧壁位置的量子阱禁带宽度更小，厚度更薄，通过隧穿作用，载流子在V坑侧壁更容易注入，提高量子阱中电子空穴的匹配度，促进接近N面的量子阱发光，以提高长波长InGaN基绿光发光二极管的发光效率。
综合以上材料设计和制备工艺，采用本发明制备得到的外延片，能够降低外延层材料所受的应力和缺陷密度，提高多量子阱发光层材料的质量，并在有效的增强有源区中空穴的注入提高量子阱中电子空穴的匹配度的同时，增加发光二极管所需要的平台量子阱的发光面积，使多量子阱发光层中的辐射复合效率提升，从而提高发光二极管的发光效率。
相应地，本发明提供了一种发光二极管外延片的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1、准备衬底100；
S2、在所述衬底100上依次沉积缓冲层200、N型半导体层300、应力释放层400、多量子阱发光层500、电子阻挡层600、P型半导体层700；
所述应力释放层400包括依次层叠在所述N型半导体层300上的第一多孔GaN层401、第二多孔GaN层402、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403、阱前InGaN/GaN超晶格合并层404。
在一种实施方式中，所述第一多孔GaN层401采用下述方法制得：
在沉积所述第一多孔GaN层之前，向反应腔中通入H2和NH3气体，通入时间持续2min~5min，对缓冲层表面进行高温H2气处理，高温H2气处理的温度为950℃~1250℃，压力为100torr~500torr；
然后将反应室的温度控制在800℃~950℃，压力控制在100torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述第一多孔GaN层；
所述第二多孔GaN层402采用下述方法制得：
在沉积所述第二多孔GaN层之前，向反应腔中通入H2和NH3气体，通入时间持续2min~5min，对缓冲层表面进行高温H2气处理，高温H2气处理的温度为950℃~1250℃，压力为100torr~500torr；
然后将反应室的温度控制在800℃~950℃，压力控制在100torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述第二多孔GaN层。
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层403采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在760℃~850℃，压力控制在20torr~300torr，通入N源、Ga源、In源，生长第一InGaN前阱准备层；
将反应室的温度控制在780℃~880℃，压力控制在20torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长第一GaN前垒准备层；
交替层叠所述第一InGaN前阱准备层和所述第一GaN前垒准备层，得到所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层。
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层404采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在760℃~850℃，压力控制在20torr~300torr，通入N源、Ga源、In源，生长第二InGaN前阱准备层；
将反应室的温度控制在780℃~880℃，压力控制在20torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长第二GaN前垒准备层；
交替层叠所述第二InGaN前阱准备层和所述第二GaN前垒准备层，得到所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
在一种实施方式中，所述多量子阱发光层500采用下述方法制得：
将反应室的温度控制在680℃~780℃，压力控制在20torr~300torr，通入N源、Ga源、In源，生长InGaN量子阱层；
将反应室的温度控制在780℃~880℃，压力控制在20torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长GaN量子垒层；
交替层叠所述InGaN量子阱层和所述GaN量子垒层，得到所述多量子阱发光层。
本发明提供的制备方法中，在生长应力释放层的过程中进行两次高温H2气处理，经过H2气处理的所述N型半导体层和所述第一多孔GaN层的表面结晶质量差的材料将被分解，有利于提高后续沉积外延材料的晶体质量，同时形成凹凸不平的粗糙表面，更容易获得尺寸大小相同、分布均匀的V型孔洞，进一步充分释放外延层材料的应力，同时提高外延层材料的质量。
相应地，本发明还提供了一种LED，所述LED包括上述的InGaN基绿光发光二极管外延片。所述LED的光电效率得到有效提升，且其他项电学性能良好。
下面以具体实施例进一步说明本发明：
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、N型半导体层、应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
所述第一多孔GaN层上设有贯穿所述第一多孔GaN层的第一V型孔洞，厚度为100nm，Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3。
所述第二多孔GaN层上设有贯穿所述第二多孔GaN层的第二V型孔洞和第三V型孔洞，所述第二V型孔洞的开口尺寸大于所述第三V型孔洞的开口尺寸，厚度为50nm，Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3。
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上设有第四V型孔洞和第五V型孔洞，所述第四V型孔洞的开口尺寸大于所述第五V型孔洞的开口尺寸；
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层包括交替层叠的第一InGaN前阱准备层和第一GaN前垒准备层，交替层叠周期数为3，所述第一InGaN前阱准备层的厚度为3nm，所述第一GaN前垒准备层的厚度为12nm，所述第一GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3。
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层填充所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第五V型孔洞，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层在所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第四V型孔洞的基础上设有第六V型孔洞；
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层包括交替层叠的第二InGaN前阱准备层和第二GaN前垒准备层，交替层叠周期数为5，所述第二InGaN前阱准备层的厚度为3nm，所述第二GaN前垒准备层的厚度为12nm；所述第二GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3。
所述多量子阱发光层上设有第七V型孔洞，所述第七V型孔洞在所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层上的第六V型孔洞的基础上生长得到；所述多量子阱发光层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，交替层叠周期数为10，所述InGaN量子阱层的厚度为4nm；所述GaN量子垒层的厚度为11nm，所述GaN量子垒层的Si掺杂浓度为1×1018atoms/cm3。
实施例2
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、N型半导体层、应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
所述第一多孔GaN层上设有贯穿所述第一多孔GaN层的第一V型孔洞，厚度为20nm，Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3。
所述第二多孔GaN层上设有贯穿所述第二多孔GaN层的第二V型孔洞和第三V型孔洞，所述第二V型孔洞的开口尺寸大于所述第三V型孔洞的开口尺寸，厚度为10nm，Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3。
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上设有第四V型孔洞和第五V型孔洞，所述第四V型孔洞的开口尺寸大于所述第五V型孔洞的开口尺寸；
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层包括交替层叠的第一InGaN前阱准备层和第一GaN前垒准备层，交替层叠周期数为2，所述第一InGaN前阱准备层的厚度为2nm，所述第一GaN前垒准备层的厚度为7nm，所述第一GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为2×1017atoms/cm3。
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层填充所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第五V型孔洞，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层在所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第四V型孔洞的基础上设有第六V型孔洞；
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层包括交替层叠的第二InGaN前阱准备层和第二GaN前垒准备层，交替层叠周期数为2，所述第二InGaN前阱准备层的厚度为2.5nm，所述第二GaN前垒准备层的厚度为7nm；所述第二GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为1.8×1017atoms/cm3。
所述多量子阱发光层上设有第七V型孔洞，所述第七V型孔洞在所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层上的第六V型孔洞的基础上生长得到；所述多量子阱发光层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，交替层叠周期数为6，所述InGaN量子阱层的厚度为2.5nm；所述GaN量子垒层的厚度为7nm，所述GaN量子垒层的Si掺杂浓度为1.2×1017atoms/cm3。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、N型半导体层、应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
所述第一多孔GaN层上设有贯穿所述第一多孔GaN层的第一V型孔洞，厚度为500nm，Si掺杂浓度为2×1019atoms/cm3。
所述第二多孔GaN层上设有贯穿所述第二多孔GaN层的第二V型孔洞和第三V型孔洞，所述第二V型孔洞的开口尺寸大于所述第三V型孔洞的开口尺寸，厚度为180nm，Si掺杂浓度为2×1019atoms/cm3。
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上设有第四V型孔洞和第五V型孔洞，所述第四V型孔洞的开口尺寸大于所述第五V型孔洞的开口尺寸；
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层包括交替层叠的第一InGaN前阱准备层和第一GaN前垒准备层，交替层叠周期数为5，所述第一InGaN前阱准备层的厚度为5nm，所述第一GaN前垒准备层的厚度为16nm，所述第一GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为5×1018atoms/cm3。
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层填充所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第五V型孔洞，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层在所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第四V型孔洞的基础上设有第六V型孔洞；
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层包括交替层叠的第二InGaN前阱准备层和第二GaN前垒准备层，交替层叠周期数为8，所述第二InGaN前阱准备层的厚度为5nm，所述第二GaN前垒准备层的厚度为16nm；所述第二GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为3×1018atoms/cm3。
所述多量子阱发光层上设有第七V型孔洞，所述第七V型孔洞在所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层上的第六V型孔洞的基础上生长得到；所述多量子阱发光层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，交替层叠周期数为15，所述InGaN量子阱层的厚度为5nm；所述GaN量子垒层的厚度为16nm，所述GaN量子垒层的Si掺杂浓度为2×1018atoms/cm3。
对比例1
本对比例提供一种发光二极管外延片，与实施例1不同之处在于：其应力释放层为Si掺杂的GaN层，厚度500nm，Si掺杂浓度为2×1019atoms/cm3，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，与实施例1不同之处在于：所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层，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，与实施例1不同之处在于：所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层，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，与实施例1不同之处在于，所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层，其余均与实施例1相同。
以实施例1~实施例3和对比例1~对比例4制得发光二极管外延片使用相同芯片工艺条件制备成3mil×5mil芯片，分别抽取300颗LED芯片，在3mA电流下测试，以对比例1为参照，计算各实施例和对比例的发光效率提升率，具体测试结果如表1所示。
表1 实施例1~实施例3和对比例1~对比例4制得LED的性能测试结果
由上述结果可知，本发明提供的InGaN基绿光发光二极管外延片，其具有特定结构的应力释放层，所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。其中，XRD（002）数据可以表征螺位错，XRD（102）数据可以表征螺位错和刃位错的混合位错，XRD（002）或XRD（102）的数值越小说明位错密度越低，晶体质量越好。相较于常规的InGaN基绿光发光二极管外延片，采用本发明制备得到的外延片，能够降低外延层材料所受的应力和缺陷密度，提高多量子阱发光层材料的质量，并在有效的增强有源区中空穴的注入提高量子阱中电子空穴的匹配度的同时，增加发光二极管所需要的平台量子阱的发光面积，使多量子阱发光层中的辐射复合效率提升，从而提高发光二极管的发光效率。
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InGaN基绿光发光二极管外延片，其特征在于，包括衬底，所述衬底上依次设有缓冲层、N型半导体层、应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
2.如权利要求1所述的InGaN基绿光发光二极管外延片，其特征在于，所述第一多孔GaN层上设有贯穿所述第一多孔GaN层的第一V型孔洞，所述第一V型孔洞的孔洞密度为2×108个/cm2-5×1011个/cm2；
所述第一多孔GaN层的厚度为20nm~500nm；
所述第一多孔GaN层的Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；
所述第一多孔GaN层的生长温度为800℃~950℃。
3.如权利要求1所述的InGaN基绿光发光二极管外延片，其特征在于，所述第二多孔GaN层上设有贯穿所述第二多孔GaN层的第二V型孔洞和第三V型孔洞，所述第二V型孔洞的开口尺寸大于所述第三V型孔洞的开口尺寸；
所述第二多孔GaN层的厚度为10nm~180nm；
所述第二多孔GaN层的Si掺杂浓度为5×1017atoms/cm3~2×1019atoms/cm3；
所述第二多孔GaN层的生长温度为800℃~950℃。
4.如权利要求1所述的InGaN基绿光发光二极管外延片，其特征在于，所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上设有第四V型孔洞和第五V型孔洞，所述第四V型孔洞的开口尺寸大于所述第五V型孔洞的开口尺寸；
所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层包括交替层叠的第一InGaN前阱准备层和第一GaN前垒准备层，交替层叠周期数为2~5；
所述第一InGaN前阱准备层的厚度为2.5nm~5nm；
所述第一GaN前垒准备层的厚度为7nm~16nm；
所述第一GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为2×1017atoms/cm3~5×1018atoms/cm3。
5.如权利要求4所述的InGaN基绿光发光二极管外延片，其特征在于，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层填充所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第五V型孔洞，所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层在所述多孔阱前InGaN/GaN超晶格层上的第四V型孔洞的基础上设有第六V型孔洞；
所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层包括交替层叠的第二InGaN前阱准备层和第二GaN前垒准备层，交替层叠周期数为2~8；
所述第二InGaN前阱准备层的厚度为2.5nm~5nm；
所述第二GaN前垒准备层的厚度为7nm~16nm；
所述第二GaN前垒准备层的Si掺杂浓度为1.8×1017atoms/cm3~3×1018atoms/cm3。
6.如权利要求5所述的InGaN基绿光发光二极管外延片，其特征在于，所述多量子阱发光层上设有第七V型孔洞，所述第七V型孔洞在所述阱前InGaN/GaN超晶格合并层上的第六V型孔洞的基础上生长得到；
所述多量子阱发光层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，交替层叠周期数为6~15；
所述InGaN量子阱层的厚度为2.5nm~5nm；
所述GaN量子垒层的厚度为7nm~16nm；
所述GaN量子垒层的Si掺杂浓度为1.2×1017atoms/cm3~2×1018atoms/cm3。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的InGaN基绿光发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备衬底；
S2、在所述衬底上依次沉积缓冲层、N型半导体层、应力释放层、多量子阱发光层、电子阻挡层、P型半导体层；
所述应力释放层包括依次层叠在所述N型半导体层上的第一多孔GaN层、第二多孔GaN层、多孔阱前InGaN/GaN超晶格层、阱前InGaN/GaN超晶格合并层。
8.如权利要求7所述的InGaN基绿光发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述第一多孔GaN层采用下述方法制得：
在沉积所述第一多孔GaN层之前，向反应腔中通入H2和NH3气体，通入时间持续2min~5min，对缓冲层表面进行高温H2气处理，高温H2气处理的温度为950℃~1250℃，压力为100torr~500torr；
然后将反应室的温度控制在800℃~950℃，压力控制在100torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述第一多孔GaN层。
9.如权利要求7所述的InGaN基绿光发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述第二多孔GaN层采用下述方法制得：
在沉积所述第二多孔GaN层之前，向反应腔中通入H2和NH3气体，通入时间持续2min~5min，对缓冲层表面进行高温H2气处理，高温H2气处理的温度为950℃~1250℃，压力为100torr~500torr；
然后将反应室的温度控制在800℃~950℃，压力控制在100torr~300torr，通入N源、Ga源、Si源，生长所述第二多孔GaN层。
10.一种LED，其特征在于，所述LED包括如权利要求1~6任一项所述的InGaN基绿光发光二极管外延片。
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