CN117293241B - 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、第一插入层、第一多量子阱层、第二插入层、第二多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，第一插入层包括依次层叠的InaAlbGa1‑a‑bN层、IncGa1‑cN层、IndGa1‑dN层和InN层，第二插入层包括依次层叠的InxAlyGa1‑x‑ yN层、AlzGa1‑zN层、AlN层、AlmGa1‑mN层和InαAlβGa1‑α‑βN层。实施本发明，可提升发光二极管的发光效率、提高波长均匀性。
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，吸引着越来越多的人关注。GaN基发光二极管已经实现工业化生产、在背光源、照明、景观灯等方面都有应用。
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型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层、P型半导体层。多量子阱层作为有源区是发光二极管的核心结构，现有多量子阱层为InGaN量子阱层和GaN量子垒层周期性层叠组成，发明人发现传统结构具有以下问题：
1、靠近N型半导体层的多量子阱层，受到严重的压应力，导致In组分并入少，影响其晶格质量的提升和电子空穴对的复合，影响发光效率；
2、传统结构由于InGaN量子阱层生长温度低，导致晶格质量差，并且逐渐层叠，缺陷累积，形成非辐射复合中心，尤其是在靠近P型半导体层的多量子阱中，累积缺陷更多，影响发光强度；
3、使用蓝宝石图形化衬底在MOCVD中生长LED外延片时，需要切换不同种蓝宝石衬底，导致外延片品质上存在波动，尤其是由于衬底图形深度、间距等规格上的差异导致外延片生长过程中翘曲变化而影响波长分布均匀性，使用原有条件生长出来的外延片容易出现波长呈同心圆偏长或偏短的现象，导致波长分布不集中，制作出的外延片波长分布散、落Bin率低。现有技术解决方法主要是针对形核层的生长参数修改进行应力调节，显著缺点是：距离多量子阱层较远，产出波长均匀性不易控制。
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，提高波长均匀性。
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、波长均匀性高。
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、第一插入层、第一多量子阱层、第二插入层、第二多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述第一插入层包括依次层叠的InaAlbGa1-a-bN层、IncGa1-cN层、IndGa1-dN层和InN层，所述第二插入层包括依次层叠的InxAlyGa1-x-yN层、AlzGa1-zN层、AlN层、AlmGa1-mN层和InαAlβGa1-α-βN层；
其中，a≤c，b≥0.1，c＜d，以使所述InaAlbGa1-a-bN层的晶格常数＜所述IncGa1-cN层的晶格常数＜所述IndGa1-dN层的晶格常数；
y＜z，x≥0.02，以使所述InxAlyGa1-x-yN层的晶格常数＞所述AlzGa1-zN层的晶格常数；
m＞β，α≥0.02，以使所述InαAlβGa1-α-βN层的晶格常数＞所述AlmGa1-mN层的晶格常数。
作为上述技术方案的改进，a为0.1~0.2，b为0.1~0.2，c为0.1~0.2，d为0.2~0.3；
x为0.05~0.1，y为0.1~0.3，z为0.3~0.5，m为0.3~0.5，α为0.05~0.1，β为0.1~0.3。
作为上述技术方案的改进，x=α，y=β，z=m。
作为上述技术方案的改进，所述IndGa1-dN层的厚度＞所述InN层的厚度。
作为上述技术方案的改进，所述InaAlbGa1-a-bN层的厚度为1nm~20nm，所述IncGa1-cN层的厚度为1nm~20nm，所述IndGa1-dN层的厚度为1nm~20nm，所述InN层的厚度为1nm~5nm；
所述InxAlyGa1-x-yN层的厚度为1nm~10nm，所述AlzGa1-zN层的厚度为1nm~10nm，所述AlN层的厚度为1nm~10nm，所述AlmGa1-mN层的厚度为1nm~10nm，所述InαAlβGa1-α-βN层的厚度为1nm~10nm。
作为上述技术方案的改进，所述InxAlyGa1-x-yN层的厚度=所述InαAlβGa1-α-βN层的厚度，所述AlzGa1-zN层的厚度=所述AlmGa1-mN层的厚度。
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、第一插入层、第一多量子阱层、第二插入层、第二多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述第一插入层包括依次层叠的InaAlbGa1-a-bN层、IncGa1-cN层、IndGa1-dN层和InN层，所述第二插入层包括依次层叠的InxAlyGa1-x-yN层、AlzGa1-zN层、AlN层、AlmGa1-mN层和InαAlβGa1-α-βN层；
其中，a≤c，b≥0.1，c＜d，以使所述InaAlbGa1-a-bN层的晶格常数＜所述IncGa1-cN层的晶格常数＜所述IndGa1-dN层的晶格常数；
y＜z，x≥0.02，以使所述InxAlyGa1-x-yN层的晶格常数＞所述AlzGa1-zN层的晶格常数；
m＞β，α≥0.02，以使所述InαAlβGa1-α-βN层的晶格常数＞所述AlmGa1-mN层的晶格常数。
作为上述技术方案的改进，所述InaAlbGa1-a-bN层的生长温度＞所述IncGa1-cN层的生长温度＞所述IndGa1-dN层的生长温度＞所述InN层的生长温度；
所述InxAlyGa1-x-yN层的生长温度＜所述AlzGa1-zN层的生长温度＜所述AlN层的生长温度，所述InαAlβGa1-α-βN层的生长温度＜所述AlmGa1-mN层的生长温度＜所述AlN层的生长温度。
作为上述技术方案的改进，所述InaAlbGa1-a-bN层的生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述IncGa1-cN层的生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述IndGa1-dN层的生长温度为780℃~820℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述InN层的生长温度为730℃~770℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述InxAlyGa1-x-yN层的生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述AlzGa1-zN层的生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；
所述AlN层的生长温度为930℃~970℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；
所述AlmGa1-mN层的生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；
所述InαAlβGa1-α-βN层的生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2。
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：
本发明的发光二极管外延片中，第一插入层包括依次层叠的InaAlbGa1-a-bN层、IncGa1-cN层、IndGa1-dN层和InN层。第一插入层为张应力提供层，由于原子半径In＞Ga＞Al，且a≤c，b≥0.1，c＜d，以使InaAlbGa1-a-bN层的晶格常数＜IncGa1-cN层的晶格常数＜IndGa1- dN层的晶格常数，因此第一插入层中，四个子层的晶格常数逐渐增大，为第一多量子阱层增加张应力，减少第一多量子阱层的压电极化效应，增加与第一多量子阱层的晶格匹配，提高第一多量子阱层的晶格质量，减少非辐射复合，增加In原子的并入，增加第一多量子阱层中电子空穴对的复合几率，提高发光效率。
当外延片生长至第一多量子阱层时，翘曲开始由凹逐渐转凸，外延生长至第二多量子阱层时，外延片翘曲很难控制，容易造成翘曲偏凸，尤其是在第一插入层张应力的影响下，严重影响波长均匀性。因此第一多量子阱层和第二多量子阱层中间，设置第二插入层，其为翘曲调整层，包括依次层叠的InxAlyGa1-x-yN层、AlzGa1-zN层、AlN层、AlmGa1-mN层和InαAlβGa1-α-βN层，且y＜z，x≥0.02，以使InxAlyGa1-x-yN层的晶格常数＞AlzGa1-zN层的晶格常数，m＞β，α≥0.02，以使InαAlβGa1-α-βN层的晶格常数＞AlmGa1-mN层的晶格常数。首先，第二插入层中，五个子层的晶格常数先逐渐减小再逐渐增大，可以增加与第一多量子阱层和第二多量子阱层的晶格匹配，又可以提供压应力，避免翘曲偏凸，导致中心波长偏长，增加波长均匀性；其次，Al组分的占比先逐渐增加再逐渐减少，可减少外延片翘曲；最后，AlN层致密度较高，可以对从底层延伸的位错缺陷产生扭曲和湮灭的作用，提升了第二多量子阱层的晶格质量，避免第一多量子阱层生长导致的缺陷持续累积，影响第二多量子阱层，影响发光效率。
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第一插入层的结构示意图；
图3是本发明一实施例中第二插入层的结构示意图；
图4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型GaN层4、第一插入层5、第一多量子阱层6、第二插入层7、第二多量子阱层8、电子阻挡层9和P型GaN层10。
其中，第一插入层5包括依次层叠的InaAlbGa1-a-bN层51、IncGa1-cN层52、IndGa1-dN层53和InN层54，其中，a≤c，b≥0.1，c＜d，以使InaAlbGa1-a-bN层51的晶格常数＜IncGa1-cN层52的晶格常数＜IndGa1-dN层53的晶格常数。第一插入层5中，四个子层的晶格常数逐渐增大，为第一多量子阱层6增加张应力，减少第一多量子阱层6的压电极化效应，增加与第一多量子阱层6的晶格匹配，提高第一多量子阱层6的晶格质量，减少非辐射复合，增加In原子的并入，增加第一多量子阱层6中电子空穴对的复合几率，提高发光效率。
具体的，a为0.07~0.2，优选的为0.1~0.2，示例性的为0.12、0.14、0.15、0.16或0.18，但不限于此；b为0.1~0.22，优选的为0.1~0.2，示例性的为0.12、0.14、0.15、0.16或0.18，但不限于此；c为0.1~0.22，优选的为0.1~0.2，示例性的为0.12、0.14、0.15、0.16或0.18，但不限于此；d为0.2~0.35，优选的为0.2~0.3，示例性的为0.22、0.24、0.26或0.28，但不限于此。
其中，IndGa1-dN层53的厚度＞InN层54的厚度。InN层54的厚度尽量薄，避免晶格质量下降。
具体的，InaAlbGa1-a-bN层51的厚度为1nm~25nm，优选的为1nm~20nm，示例性的为5nm、10nm或15nm，但不限于此。具体的，IncGa1-cN层52的厚度为1nm~25nm，优选的为1nm~20nm，示例性的为5nm、10nm或15nm，但不限于此。具体的，IndGa1-dN层53的厚度为1nm~25nm，优选的为1nm~20nm，示例性的为5nm、10nm或15nm，但不限于此。具体的，InN层54的厚度为1nm~8nm，优选的为1nm~5nm，示例性的为2nm、3nm或4nm，但不限于此。
其中，第二插入层7包括依次层叠的InxAlyGa1-x-yN层71、AlzGa1-zN层72、AlN层73、AlmGa1-mN层74和InαAlβGa1-α-βN层75，且y＜z，x≥0.02，以使InxAlyGa1-x-yN层71的晶格常数＞AlzGa1-zN层72的晶格常数，m＞β，α≥0.02，以使InαAlβGa1-α-βN层75的晶格常数＞AlmGa1-mN层74的晶格常数。首先，第二插入层7中，五个子层的晶格常数先逐渐减小再逐渐增大，可以增加与第一多量子阱层6和第二多量子阱层8的晶格匹配，又可以提供压应力，避免翘曲偏凸，导致中心波长偏长，增加波长均匀性；其次，Al组分的占比先逐渐增加再逐渐减少，可减少外延片翘曲；最后，AlN层73致密度较高，可以对从底层延伸的位错缺陷产生扭曲和湮灭的作用，提升了第二多量子阱层8的晶格质量，避免第一多量子阱层6生长导致的缺陷持续累积，影响第二多量子阱层8，影响发光效率。
其中，x为0.05~0.12，优选的为0.05~0.1，示例性的为0.06、0.07、0.08或0.09，但不限于此；y为0.05~0.3，优选的为0.1~0.3，示例性的为0.12、0.15、0.18、0.2、0.22、0.25或0.28，但不限于此；z为0.3~0.55，优选的为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；m为0.3~0.55，优选的为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；α为0.05~0.12，优选的为0.05~0.1，示例性的为0.06、0.07、0.08或0.09，但不限于此；β为0.05~0.3，优选的为0.1~0.3，示例性的为0.12、0.15、0.18、0.2、0.22、0.25或0.28，但不限于此。进一步优选的，在本发明的一个实施例中，x=α，y=β，z=m，基于这种设置，实现更优的晶格匹配。
具体的，InxAlyGa1-x-yN层71的厚度为1nm~12nm，优选的为1nm~10nm，示例性的为2nm、4nm、5nm、6nm或8nm，但不限于此；AlzGa1-zN层72的厚度为1nm~12nm，优选的为1nm~10nm，示例性的为2nm、4nm、5nm、6nm或8nm，但不限于此；AlN层73的厚度为1nm~12nm，优选的为1nm~10nm，示例性的为2nm、4nm、5nm、6nm或8nm，但不限于此；AlmGa1-mN层74的厚度为1nm~12nm，优选的为1nm~10nm，示例性的为2nm、4nm、5nm、6nm或8nm，但不限于此；InαAlβGa1-α-βN层75的厚度为1nm~12nm，优选的为1nm~10nm，示例性的为2nm、4nm、5nm、6nm或8nm，但不限于此。进一步优选的，在本发明的一个实施例中，InxAlyGa1-x-yN层71的厚度=InαAlβGa1-α-βN层75的厚度，AlzGa1-zN层72的厚度=AlmGa1-mN层74的厚度，基于这种设置，能更好的避免翘曲。
其中，衬底1可为蓝宝石衬底、硅衬底或SiC衬底，但不限于此。优选的为蓝宝石衬底。
其中，形核层2的厚度为20nm~100nm，示例性的为30nm、40nm、50nm、60nm、70m或80nm，但不限于此。
其中，本征GaN层3的厚度为300nm~800nm，示例性的为400nm、500nm、600nm或700nm，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5×1018cm-3~1×1019cm-3。N型GaN层4的厚度为1μm~3μm，示例性的为1.2μm、1.6μm、2μm、2.4μm或2.8μm，但不限于此。
其中，第一多量子阱层6为交替堆叠的量子阱层和量子垒层，周期数为2~5。量子阱层为InGaN层，但不限于此。量子阱层中In组分的占比为0.25~0.4，单个量子阱层的厚度为3nm~7nm。量子垒层为GaN层，但不限于此。单个量子垒层的厚度为6nm~15nm。
其中，第二多量子阱层8为交替堆叠的量子阱层和量子垒层，周期数为2~5。量子阱层为InGaN层，但不限于此。量子阱层中In组分的占比为0.25~0.4，单个量子阱层的厚度为3nm~7nm。量子垒层为GaN层，但不限于此。单个量子垒层的厚度为6nm~15nm。
其中，电子阻挡层9为AlGaN层，但不限于此。电子阻挡层9的厚度为30nm~200nm，Al组分的占比为0.45~0.65。
其中，P型GaN层10的掺杂元素为Mg，但不限于此。P型GaN层10中Mg的掺杂浓度为5×1017cm-3~1×1020cm-3。P型GaN层10的厚度为5nm~60nm。
相应的，参考图4，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：
S101：提供衬底；
S102：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。
S103：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。
S104：在本征GaN层上生长N型GaN层；
具体的，在MOCVD中生长N型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。
S105：在N型GaN层上生长第一插入层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，在N型GaN层上依次层叠生长InaAlbGa1-a-bN层、IncGa1-cN层、IndGa1-dN层和InN层，以形成第一插入层。优选的，在本发明的一个实施例中，InaAlbGa1-a-bN层的生长温度＞IncGa1-cN层的生长温度＞IndGa1-dN层的生长温度＞InN层的生长温度，基于这种设置，可提高晶格质量。
具体的，生长第一插入层包括以下步骤：
（I）在N型GaN层上生长InaAlbGa1-a-bN层；
具体的，在MOCVD中生长InaAlbGa1-a-bN层，生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~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TMIn作为In源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅱ）在InaAlbGa1-a-bN层上生长IncGa1-cN层；
具体的，在MOCVD中生长IncGa1-cN层，生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~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TMIn作为In源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅲ）在IncGa1-cN层上生长IndGa1-dN层；
具体的，在MOCVD中生长IndGa1-dN层，生长温度为780℃~820℃，生长压力为200torr~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TMIn作为In源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅳ）在IndGa1-dN层上生长InN层；
具体的，在MOCVD中生长InN层，生长温度为730℃~770℃，生长压力为200torr~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TMIn作为In源。
第一插入层使用N2作为载气，有利于In组分的并入。
S106：在第一插入层上生长第一多量子阱层；
具体的，在MOCVD中周期性生长量子阱层和量子垒层，以形成第一多量子阱层。其中，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，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。
S107：在第一多量子阱层上生长第二插入层；
具体的，在本发明的一个实施例之中，在第一多量子阱层上依次层叠生长InxAlyGa1-x-yN层、AlzGa1-zN层、AlN层、AlmGa1-mN层和InαAlβGa1-α-βN层，以形成第二插入层。优选的，在本发明的一个实施例中，InxAlyGa1-x-yN层的生长温度＜AlzGa1-zN层的生长温度＜AlN层的生长温度，InαAlβGa1-α-βN层的生长温度＜AlmGa1-mN层的生长温度＜AlN层的生长温度。基于这种设置，可提高晶格质量。
具体的，生长第二插入层包括以下步骤：
（I）在第一多量子阱层上生长InxAlyGa1-x-yN层；
具体的，在MOCVD中生长InxAlyGa1-x-yN层，生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~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TMIn作为In源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。本层使用N2作为载气，有利于In组分的并入。
（Ⅱ）在InxAlyGa1-x-yN层上生长AlzGa1-zN层；
具体的，在MOCVD中生长AlzGa1-zN层，生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。本层使用H2和N2的混合气作为载气，有利于提高晶格质量。
（Ⅲ）在AlzGa1-zN层上生长AlN层；
具体的，在MOCVD中生长AlN层，生长温度为930℃~970℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源。本层使用H2和N2的混合气作为载气，有利于提高晶格质量。
（Ⅳ）在AlN层上生长AlmGa1-mN层；
具体的，在MOCVD中生长AlmGa1-mN层，生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。本层使用H2和N2的混合气作为载气，有利于提高晶格质量。
（Ⅴ）在AlmGa1-mN层上生长InαAlβGa1-α-βN层；
具体的，在MOCVD中生长InαAlβGa1-α-βN层，生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~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TMIn作为In源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。本层使用N2作为载气，有利于In组分的并入。
S108：在第二插入层上生长第二多量子阱层；
具体的，在MOCVD中周期性生长量子阱层和量子垒层，以形成第二多量子阱层。其中，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，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。
S109：在第二多量子阱层上生长电子阻挡层；
具体的，在MOCVD中生长AlGaN层，作为电子阻挡层。其中，生长温度为900℃~1000℃，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TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga源。
S110：在电子阻挡层上生长P型GaN层；
具体的，在MOCVD中生长P型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型GaN层4、第一插入层5、第一多量子阱层6、第二插入层7、第二多量子阱层8、电子阻挡层9和P型GaN层10。
其中，衬底1为蓝宝石衬底，形核层2的厚度为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1×1019cm-3。
其中，第一插入层5包括依次层叠的InaAlbGa1-a-bN层51、IncGa1-cN层52、IndGa1-dN层53和InN层54，a为0.07，b为0.22，c为0.22，d为0.35，InaAlbGa1-a-bN层51的厚度为25nm，IncGa1-cN层52的厚度为25nm，IndGa1-dN层53的厚度为25nm，InN层54的厚度为8nm。
其中，第一多量子阱层6为交替堆叠的量子阱层和量子垒层，周期数为4。量子阱层为InGaN层，量子阱层中In组分的占比为0.3，单个量子阱层的厚度为3nm。量子垒层为GaN层，单个量子垒层的厚度为10nm。
其中，第二插入层7包括依次层叠的InxAlyGa1-x-yN层71、AlzGa1-zN层72、AlN层73、AlmGa1-mN层74和InαAlβGa1-α-βN层75，x为0.12，y为0.05，z为0.55，m为0.45，α为0.08，β为0.2，InxAlyGa1-x-yN层71的厚度为12nm，AlzGa1-zN层72的厚度为12nm，AlN层73的厚度为12nm，AlmGa1-mN层74的厚度为5nm，InαAlβGa1-α-βN层75的厚度为5nm。
其中，第二多量子阱层8为交替堆叠的量子阱层和量子垒层，周期数为4。量子阱层为InGaN层，量子阱层中In组分的占比为0.3，单个量子阱层的厚度为3nm。量子垒层为GaN层，单个量子垒层的厚度为10nm。
其中，电子阻挡层9为AlGaN层，厚度为60nm，Al组分的占比为0.55。P型GaN层10的掺杂元素为Mg，掺杂浓度为8×1018cm-3，P型GaN层10的厚度为10nm。
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；
（2）在衬底上生长形核层；
采用MOCVD生长AlGaN层，其生长温度为600℃，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TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga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1120℃，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1120℃，生长压力为250torr。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层上生长第一插入层；
具体的，生长第一插入层包括以下步骤：
（I）在N型GaN层上生长InaAlbGa1-a-bN层；
具体的，在MOCVD中生长InaAlbGa1-a-bN层，生长温度为900℃，生长压力为250torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以N2作为载气，通入TMIn作为In源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅱ）在InaAlbGa1-a-bN层上生长IncGa1-cN层；
具体的，在MOCVD中生长IncGa1-cN层，生长温度为850℃，生长压力为250torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TMIn作为In源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅲ）在IncGa1-cN层上生长IndGa1-dN层；
具体的，在MOCVD中生长IndGa1-dN层，生长温度为800℃，生长压力为250torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TMIn作为In源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅳ）在IndGa1-dN层上生长InN层；
具体的，在MOCVD中生长InN层，生长温度为750℃，生长压力为250torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，以N2作为载气，通入TMIn作为In源。
（6）在第一插入层上生长第一多量子阱层；
具体的，在MOCVD中周期性生长量子阱层和量子垒层，以形成第一多量子阱层。其中，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，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。
（7）在第一多量子阱层上生长第二插入层；
具体的，生长第二插入层包括以下步骤：
（I）在第一多量子阱层上生长InxAlyGa1-x-yN层；
具体的，在MOCVD中生长InxAlyGa1-x-yN层，生长温度为850℃，生长压力为250torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以N2作为载气，通入TMIn作为In源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅱ）在InxAlyGa1-x-yN层上生长AlzGa1-zN层；
具体的，在MOCVD中生长AlzGa1-zN层，生长温度为900℃，生长压力为250torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：1；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅲ）在AlzGa1-zN层上生长AlN层；
具体的，在MOCVD中生长AlN层，生长温度为950℃，生长压力为250torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：1；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源。
（Ⅳ）在AlN层上生长AlmGa1-mN层；
具体的，在MOCVD中生长AlmGa1-mN层，生长温度为900℃，生长压力为250torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：1；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。
（Ⅴ）在AlmGa1-mN层上生长InαAlβGa1-α-βN层；
具体的，在MOCVD中生长InαAlβGa1-α-βN层，生长温度为850℃，生长压力为250torr；生长时，在MOCVD反应室中通入NH3作为N源；以N2作为载气，通入TMIn作为In源，通入TMAl作为Al源，通入TEGa作为Ga源。本层使用N2作为载气，有利于In组分的并入。
（8）在第二插入层上生长第二多量子阱层；
具体的，在MOCVD中周期性生长量子阱层和量子垒层，以形成第二多量子阱层。其中，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，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。
（9）在第二多量子阱层上生长电子阻挡层；
其中，在MOCVD中生长AlGaN层，作为电子阻挡层，生长温度为950℃，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TMAl作为Al源，通入TMGa作为Ga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，其与实施例1的区别在于，InaAlbGa1-a-bN层51中a为0.1，b为0.15，IncGa1-cN层中c为0.15，IndGa1-dN层53中d为0.28。
其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例2的区别在于， InxAlyGa1-x-yN层71中x为0.08，y为0.2，AlzGa1-zN层中z为0.45。
其余均与实施例2相同。
实施例4
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例3的区别在于，InxAlyGa1-x-yN层71的厚度为5nm，AlzGa1-zN层72的厚度为5nm，AlN层73的厚度为5nm。
其余均与实施例3相同。
实施例5
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例4的区别在于，InaAlbGa1-a-bN层51的厚度为10nm，IncGa1-cN层52的厚度为10nm，IndGa1-dN层53的厚度为10nm，InN层54的厚度为3nm。
其余均与实施例4相同。
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，外延片中不包括第一插入层5，也不包括第二插入层7。相应的，在制备方法中，不包含制备上述两层的步骤。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，外延片中不包括第一插入层5。相应的，在制备方法中，不包含制备该层的步骤。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，InN层54的厚度为25nm。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，a为0.25，b为0.25，c为0.25。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：
（1）将外延片制备成30μm×30μm尺寸的芯片，在0.3mA电流下测试其发光亮度；
（2）波长均匀性：取外延同炉次的外延片41片，用PL量测机台测试，取每片片源片内主波长WD的相对标准差的平均值，作为波长均匀性。
具体结果如下：
由表中可以看出，当在传统的发光二极管结构（对比例1）中增加本发明的第一插入层和第二插入层结构时，发光亮度由5.82mcd提升至6.05mcd，发光波长均匀性由1.32nm改善至1.19nm，表明本发明的第一插入层和第二插入层可提高发光效率、改善波长均匀性。
此外，通过实施例1与对比例2~对比例4的对比可以看出，当变更本发明中的第一插入层和第二插入层结构时，难以有效起到提升亮度、提高波长均匀性的效果。
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，其特征在于，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、第一插入层、第一多量子阱层、第二插入层、第二多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述第一插入层包括依次层叠的InaAlbGa1-a-bN层、IncGa1-cN层、IndGa1-dN层和InN层，所述第二插入层包括依次层叠的InxAlyGa1-x-yN层、AlzGa1-zN层、AlN层、AlmGa1-mN层和InαAlβGa1-α-βN层；
其中，a≤c，b≥0.1，c＜d，以使所述InaAlbGa1-a-bN层的晶格常数＜所述IncGa1-cN层的晶格常数＜所述IndGa1-dN层的晶格常数；
y＜z，x≥0.02，以使所述InxAlyGa1-x-yN层的晶格常数＞所述AlzGa1-zN层的晶格常数；
m＞β，α≥0.02，以使所述InαAlβGa1-α-βN层的晶格常数＞所述AlmGa1-mN层的晶格常数。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，a为0.1~0.2，b为0.1~0.2，c为0.1~0.2，d为0.2~0.3；
x为0.05~0.1，y为0.1~0.3，z为0.3~0.5，m为0.3~0.5，α为0.05~0.1，β为0.1~0.3。
3.如权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，x=α，y=β，z=m。
4.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述IndGa1-dN层的厚度＞所述InN层的厚度。
5.如权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InaAlbGa1-a-bN层的厚度为1nm~20nm，所述IncGa1-cN层的厚度为1nm~20nm，所述IndGa1-dN层的厚度为1nm~20nm，所述InN层的厚度为1nm~5nm；
所述InxAlyGa1-x-yN层的厚度为1nm~10nm，所述AlzGa1-zN层的厚度为1nm~10nm，所述AlN层的厚度为1nm~10nm，所述AlmGa1-mN层的厚度为1nm~10nm，所述InαAlβGa1-α-βN层的厚度为1nm~10nm。
6.如权利要求4所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述InxAlyGa1-x-yN层的厚度=所述InαAlβGa1-α-βN层的厚度，所述AlzGa1-zN层的厚度=所述AlmGa1-mN层的厚度。
7.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1~6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、第一插入层、第一多量子阱层、第二插入层、第二多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，所述第一插入层包括依次层叠的InaAlbGa1-a-bN层、IncGa1-cN层、IndGa1-dN层和InN层，所述第二插入层包括依次层叠的InxAlyGa1-x-yN层、AlzGa1-zN层、AlN层、AlmGa1-mN层和InαAlβGa1-α-βN层；
其中，a≤c，b≥0.1，c＜d，以使所述InaAlbGa1-a-bN层的晶格常数＜所述IncGa1-cN层的晶格常数＜所述IndGa1-dN层的晶格常数；
y＜z，x≥0.02，以使所述InxAlyGa1-x-yN层的晶格常数＞所述AlzGa1-zN层的晶格常数；
m＞β，α≥0.02，以使所述InαAlβGa1-α-βN层的晶格常数＞所述AlmGa1-mN层的晶格常数。
8.如权利要求7所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述InaAlbGa1-a-bN层的生长温度＞所述IncGa1-cN层的生长温度＞所述IndGa1-dN层的生长温度＞所述InN层的生长温度；
所述InxAlyGa1-x-yN层的生长温度＜所述AlzGa1-zN层的生长温度＜所述AlN层的生长温度，所述InαAlβGa1-α-βN层的生长温度＜所述AlmGa1-mN层的生长温度＜所述AlN层的生长温度。
9.如权利要求8所述的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述InaAlbGa1-a-bN层的生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述IncGa1-cN层的生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述IndGa1-dN层的生长温度为780℃~820℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述InN层的生长温度为730℃~770℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述InxAlyGa1-x-yN层的生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2；
所述AlzGa1-zN层的生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；
所述AlN层的生长温度为930℃~970℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；
所述AlmGa1-mN层的生长温度为880℃~920℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为H2和N2的混合气，其中H2和N2的体积比为1：（1~2）；
所述InαAlβGa1-α-βN层的生长温度为830℃~870℃，生长压力为200torr~300torr，生长时采用的载气为N2。
10.一种发光二极管，其特征在于，包括如权利要求1~6任一项所述的发光二极管外延片。
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