CN117810324A - 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，涉及半导体技术领域。其中，所述发光二极管外延片包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，所述有源层包括超晶格层、末阱层和末垒层；所述超晶格层包括交替层叠的势阱层和势垒层，所述势阱层为InGaN层；所述势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层、C‑Si共掺杂AlGaN层和C掺杂GaN层；所述末阱层为InGaN末阱层，所述末垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN末垒层和C掺杂AlGaN末垒层。实施本发明，能够提高载流子在有源层的辐射复合效率，从而提高发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，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
GaN基蓝光发光二极管的问世，推动了以III族氮化物为基础的LED的研究，使得半导体固态照明技术得到了迅速的发展。与传统的照明设备（白炽灯、荧光灯）相比，LED具有亮度高、寿命长、节能环保等优点。GaN基蓝光发光二极管的核心结构为有源区，一般是由InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层周期性交替层叠形成的复合结构，可以有效限制载流子，提高LED的发光效率。然而，这种周期性的异质结结构也会引入一系列问题影响LED的发光性能。其中，AlGaN量子垒层与InGaN量子阱层存在较大的极化效应，导致电子与空穴波函数分离，此外，沉积的多量子阱层温度较低，晶体质量较差，导致LED内量子效率下降，从而造成LED发光效率下降。
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，能够提高载流子在有源层的复合效率，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，提供一种发光二极管外延片的制备方法，工艺简单，制得的发光二极管外延片发光效率高。
为达到上述技术效果，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，所述有源层包括超晶格层、末阱层和末垒层；
所述超晶格层包括交替层叠的势阱层和势垒层，所述势阱层为InGaN层；所述势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层、C-Si共掺杂AlGaN层和C掺杂GaN层；
所述末阱层为InGaN末阱层，所述末垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN末垒层和C掺杂AlGaN末垒层。
作为上述技术方案的改进，所述超晶格层包括依次层叠的第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层，所述第一超晶格层包括交替层叠的第一势阱层和第一势垒层，所述第一势阱层为InGaN层，所述第一势垒层包括依次层叠的第一C掺杂InGaN层、第一C-Si共掺杂AlGaN层和第一C掺杂GaN层；所述第二超晶格层包括交替层叠的第二势阱层和第二势垒层，所述第二势阱层为InGaN层，所述第二势垒层包括依次层叠的第二C掺杂InGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第二C掺杂GaN层；所述第三超晶格层包括交替层叠的第三势阱层和第三势垒层，所述第三势阱层为InGaN层，所述第三势垒层包括依次层叠的第三C掺杂InGaN层、第三C-Si共掺杂AlGaN层和第三C掺杂GaN层；
所述第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层的C掺杂浓度递减；
所述末垒层的C掺杂浓度与所述第二势垒层的C掺杂浓度相同。
作为上述技术方案的改进，所述第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层和末垒层的C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3。
作为上述技术方案的改进，所述第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层的周期数为1~10，所述第二超晶格层的周期数大于所述第一超晶格层和第三超晶格层的周期数，所述第一超晶格层的周期数与所述第三超晶格层的周期数相同。
作为上述技术方案的改进，所述第一C掺杂InGaN层、第二C掺杂InGaN层和第三C掺杂InGaN层的厚度为0.5nm~5nm，In组分占比为0.01~0.3，In组分占比沿外延方向逐渐下降，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3；
所述第一C-Si共掺杂AlGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第三C-Si共掺杂AlGaN层的厚度为1nm~10nm，Al组分占比为0.01~0.2，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3，Si掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1018cm-3；
所述第一C掺杂GaN层、第二C掺杂GaN层和第三C掺杂GaN层的厚度为1nm~10nm，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3。
作为上述技术方案的改进，所述C掺杂InGaN末垒层的厚度为0.5nm~5nm，In组分占比为0.01~0.3，In组分占比沿外延方向逐渐下降，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3；
所述C掺杂AlGaN末垒层的厚度为1nm~20nm，Al组分占比为0.01~0.2，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3。
作为上述技术方案的改进，所述第一势阱层、第二势阱层和第三势阱层的厚度为1nm~10nm，In组分占比为0.01~0.5；
所述末阱层的厚度为1nm~10nm，In组分占比为0.01~0.5。
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，包括以下步骤：
提供一衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，所述有源层包括超晶格层、末阱层和末垒层；
所述超晶格层包括交替层叠的势阱层和势垒层，所述势阱层为InGaN层；所述势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层、C-Si共掺杂AlGaN层和C掺杂GaN层；
所述末阱层为InGaN末阱层，所述末垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN末垒层和C掺杂AlGaN末垒层。
作为上述技术方案的改进，所述势阱层和末阱层的生长温度为700℃~900℃，生长压力为50Torr~500Torr；
所述势垒层和末垒层的生长温度为800℃~1000℃，生长压力为50Torr~500Torr。
相应的，本发明还公开了一种发光二极管，包括上述的发光二极管外延片。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
本发明的有源层包括超晶格层、末阱层和末垒层，超晶格层的势阱层为InGaN层，势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层、C-Si共掺杂AlGaN层和C掺杂GaN层，末阱层为InGaN末阱层，末垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN末垒层和C掺杂AlGaN末垒层。超晶格层的势垒层中，C掺杂InGaN层可以减少与势阱层的晶格失配，从而降低势阱层极化效应；C-Si共掺杂AlGaN层的势垒较高，可以减少电子溢流至P型层，还可以屏蔽有源层缺陷及势阱内的压电场作用，提高晶体质量，改善载流子在有源区的均匀性，提高电子和空穴的波函数重叠，提高发光二极管的发光效率；C掺杂GaN层可以降低晶格失配，降低量子阱层极化效应，避免因AlGaN材料势垒过大导致工作电压升高的同时，进一步减少电子溢流至P型层。末垒层中，C掺杂InGaN末垒层可以降低势阱层的极化效应，避免因势垒过大导致的工作电压升高，C掺杂AlGaN末垒层中不掺杂Si，减少空穴与电子在此发生的非辐射复合，还可以减少电子溢流至P型层发生非辐射复合，从而提升发光二极管的发光效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的发光二极管外延片的有源层的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的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，下面将结合具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，包括衬底1及依次层叠于所述衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、有源层5、电子阻挡层6和P型GaN层7，所述有源层5包括超晶格层、末阱层54和末垒层55。
所述超晶格层包括交替层叠的势阱层和势垒层，所述势阱层为InGaN层；所述势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层、C-Si共掺杂AlGaN层和C掺杂GaN层。C掺杂InGaN层可以减少与势阱层的晶格失配，从而降低势阱层极化效应；C-Si共掺杂AlGaN层的势垒较高，可以减少电子溢流至P型层，还可以屏蔽有源层缺陷及势阱内的压电场作用，提高晶体质量，改善载流子在有源区的均匀性，提高电子和空穴的波函数重叠，提高发光二极管的发光效率；C掺杂GaN层可以降低晶格失配，降低量子阱层极化效应，避免因AlGaN材料势垒过大导致工作电压升高的同时，进一步减少电子溢流至P型层。
优选的，所述超晶格层包括依次层叠的第一超晶格层51、第二超晶格层52和第三超晶格层53。所述第一超晶格层51包括交替层叠的第一势阱层和第一势垒层，所述第二超晶格层52包括交替层叠的第二势阱层和第二势垒层，所述第三超晶格层53包括交替层叠的第三势阱层和第三势垒层，周期数均为1~10，示例性的为1、3、5、7、9或10，但不限于此，周期数较小时，会有明显的电流溢流现象，周期数过大，则会造成极化现象明显，还会造成材料的浪费。所述第一势阱层、第二势阱层和第三势阱层均为InGaN层；所述第一势垒层包括依次层叠的第一C掺杂InGaN层、第一C-Si共掺杂AlGaN层和第一C掺杂GaN层；所述第二势垒层包括依次层叠的第二C掺杂InGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第二C掺杂GaN层；所述第三势垒层包括依次层叠的第三C掺杂InGaN层、第三C-Si共掺杂AlGaN层和第三C掺杂GaN层。所述第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层的C掺杂浓度递减。不同超晶格层的势垒层中的C掺杂浓度不同，由此调控有源层的V型坑生长形状，随着C掺杂浓度的下降，第一、第二和第三超晶格层的V型坑角度减小，促进了空穴从V型坑更深的底部注入有源层，提高空穴的注入效率，从而提高有源层中电子空穴的复合效率。
所述末阱层54为InGaN末阱层，所述末垒层55包括依次层叠的C掺杂InGaN末垒层和C掺杂AlGaN末垒层，所述末垒层的C掺杂浓度与所述第二势垒层的C掺杂浓度相同。末垒层55采用复合的势垒结构，InGaN材料可以避免整个势垒层都是AlGaN材料而导致的势垒过大，降低工作电压；与第一、第二和第三势垒层相比，末垒层中的AlGaN材料不掺杂Si，可以减少空穴与电子在此发生的非辐射复合，AlGaN材料还可以减少电子溢流至P型层发生非辐射复合。
在一种实施方式中，所述第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层和末垒层的C掺杂浓度均为1×1016cm-3~1×1017cm-3，若C掺杂浓度小于1×1016cm-3，不利于V型坑的调控；若C掺杂浓度大于1×1017cm-3，会造成晶体质量的下降，示例性的为1×1016cm-3、2.5×1016cm-3、5×1016cm-3、8.5×1016cm-3、9×1016cm-3或1×1017cm-3，但不限于此。
生长多周期超晶格结构的有源层，提高量子限制效应，电子和空穴被局限在多量子阱中，从而提高电子和空穴波函数的交叠，进而提升辐射复合速率。在一种实施方式中，所述第二超晶格层的周期数大于所述第一超晶格层和第三超晶格层的周期数，所述第一超晶格层的周期数与所述第三超晶格层的周期数相同，有利于进一步提高有源层中的电子和空穴的辐射复合速率。
在一种实施方式中，所述第一C掺杂InGaN层、第二C掺杂InGaN层和第三C掺杂InGaN层的厚度为0.5nm~5nm，示例性的为0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm或5nm，但不限于此。所述第一C掺杂InGaN层、第二C掺杂InGaN层和第三C掺杂InGaN层的In组分占比为0.01~0.3，示例性的为0.01、0.02、0.05、0.08、0.1、0.2或0.3，但不限于此。优选的，In组分占比沿外延方向逐渐下降，减少势阱层与势垒层的晶格失配，提高有源层的晶体质量，降低势阱层的极化效应。所述第一C掺杂InGaN层、第二C掺杂InGaN层和第三C掺杂InGaN层的C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3，示例性的为1×1016cm-3、2.5×1016cm-3、5×1016cm-3、8.5×1016cm-3、9×1016cm-3或1×1017cm-3，但不限于此。
在一种实施方式中，所述第一C-Si共掺杂AlGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第三C-Si共掺杂AlGaN层的厚度为1nm~10nm，示例性的为1nm、3nm、5nm、7nm、9nm或10nm，但不限于此。所述第一C-Si共掺杂AlGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第三C-Si共掺杂AlGaN层的Al组分占比为0.01~0.2，示例性的为0.01、0.03、0.05、0.08、0.1或0.2，但不限于此。所述第一C-Si共掺杂AlGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第三C-Si共掺杂AlGaN层的C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3，示例性的为1×1016cm-3、2.5×1016cm-3、5×1016cm-3、8.5×1016cm-3、9×1016cm-3或1×1017cm-3，但不限于此。所述第一C-Si共掺杂AlGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第三C-Si共掺杂AlGaN层的Si掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1018cm-3，示例性的为1×1017cm-3、2.5×1017cm-3、5×1017cm-3、8.5×1017cm-3、9×1017cm-3或1×1018cm-3，但不限于此。一方面，C-Si共掺杂AlGaN层的势垒较高，可以减少电子溢流至P型层，降低发光二极管的非辐射复合。另一方面，C-Si共掺杂AlGaN层可以屏蔽有源层缺陷，提高晶体质量。此外，调控C-Si掺杂浓度可以屏蔽压电场作用，调控空穴的注入深度，改善载流子在有源区的均匀性，提高电子和空穴的波函数重叠，提高发光二极管的发光效率。
在一种实施方式中，所述第一C掺杂GaN层、第二C掺杂GaN层和第三C掺杂GaN层的厚度为1nm~10nm，示例性的为1nm、3nm、5nm、7nm、9nm或10nm，但不限于此。所述第一C掺杂GaN层、第二C掺杂GaN层和第三C掺杂GaN层的C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3，示例性的为1×1016cm-3、2.5×1016cm-3、5×1016cm-3、8.5×1016cm-3、9×1016cm-3或1×1017cm-3，但不限于此。沉积C掺杂GaN层可以减少与势阱层的晶格失配，减少电子溢流至P型层，降低势阱层极化效应。
在一种实施方式中，所述C掺杂InGaN末垒层的厚度为0.5nm~5nm，示例性的为0.5nm、1nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm或5nm，但不限于此。所述C掺杂InGaN末垒层的In组分占比为0.01~0.3，示例性的为0.01、0.02、0.05、0.08、0.1、0.2或0.3，但不限于此。优选的，In组分占比沿外延方向逐渐下降，减少势阱层与势垒层的晶格失配，提高有源层的晶体质量，降低势阱层的极化效应。所述C掺杂InGaN末垒层的C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3，示例性的为1×1016cm-3、2.5×1016cm-3、5×1016cm-3、8.5×1016cm-3、9×1016cm-3或1×1017cm-3，但不限于此。
在一种实施方式中，所述C掺杂AlGaN末垒层的厚度为1nm~20nm，示例性的为1nm、5nm、8nm、10nm、12nm、15nm或20nm，但不限于此。所述C掺杂AlGaN末垒层的Al组分占比为0.01~0.2，示例性的为0.01、0.03、0.05、0.08、0.1或0.2，但不限于此。所述C掺杂AlGaN末垒层的C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3，示例性的为1×1016cm-3、2.5×1016cm-3、5×1016cm-3、8.5×1016cm-3、9×1016cm-3或1×1017cm-3，但不限于此。
在一种实施方式中，所述末阱层的厚度为1nm~10nm，示例性的为1nm、3nm、5nm、7nm、9nm或10nm，但不限于此。所述末阱层的In组分占比为0.01~0.5，示例性的为0.01、0.05、0.08、0.2、0.25、0.3、0.4或0.5，但不限于此。所述第一势阱层、第二势阱层和第三势阱层的厚度均为1nm~10nm，示例性的为1nm、3nm、5nm、7nm、9nm或10nm，但不限于此。所述第一势阱层、第二势阱层和第三势阱层的In组分占比均为0.01~0.5，示例性的为0.01、0.05、0.08、0.2、0.25、0.3、0.4或0.5，但不限于此。
除了上述有源层结构外，本发明的其它层状结构的特点如下：
所述衬底1可选用蓝宝石衬底、SiO2蓝宝石复合衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种。具体地，衬底1选用蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下有很好的稳定性。
所述缓冲层2可以为AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN缓冲层中的一种或多种。具体的，缓冲层2为AlN缓冲层，厚度为10nm~50nm。采用AlN缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心，释放了GaN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，为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。
所述非掺杂GaN层3的厚度为1μm~5μm。
所述N型GaN层4的厚度为2μm~3μm，Si掺杂浓度为1×1019cm-3~5×1019cm-3。
所述电子阻挡层6为AlInGaN层，厚度为10nm~40nm，Al组分占比为0.005~0.1，In组分占比为0.01~0.2。
所述P型GaN层7的厚度为10nm~50nm，Mg掺杂浓度为1×1019cm-3~1×1021cm-3。
相应的，如图3所示，本发明还提供了一种发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一衬底；
在一种实施方式中，衬底选用蓝宝石衬底。
S2、在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；外延结构可以通过MOCVD、MBE、PVD或VPE生长，但不限于此。具体的，S2包括以下步骤：
S21、生长缓冲层；
采用PVD生长AlN缓冲层。在一种实施方式中，将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在H2气氛进行预处理1min~10min，处理温度为1000℃~1200℃，可以提升AlN缓冲层的晶体质量及后续沉积GaN外延层的晶体质量。
S22、生长非掺杂GaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1050℃~1200℃，压力为100Torr~600Torr，通入N源和Ga源。
S23、生长N型GaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1050℃~1200℃，压力为100Torr~600Torr，通入N源、Ga源和N型掺杂源。
S24、生长有源层；具体的，S24包括以下步骤：
S241、生长第一超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为700℃~900℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源和In源，生长第一势阱层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，生长第一势垒层；重复层叠周期性生长第一势阱层和第一势垒层。具体的，第一势垒层的生长包括以下步骤：
控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长第一C掺杂InGaN层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源、Al源、Si源和C源，生长第一C-Si共掺杂AlGaN层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源和C源，生长第一C掺杂GaN层。
S242、生长第二超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为700℃~900℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源和In源，生长第二势阱层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，生长第二势垒层；重复层叠周期性生长第二势阱层和第二势垒层。具体的，第二势垒层的生长包括以下步骤：
控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长第二C掺杂InGaN层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源、Al源、Si源和C源，生长第二C-Si共掺杂AlGaN层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源和C源，生长第二C掺杂GaN层。
S243、生长第三超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为700℃~900℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源和In源，生长第三势阱层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，生长第三势垒层；重复层叠周期性生长第三势阱层和第三势垒层。具体的，第三势垒层的生长包括以下步骤：
控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长第三C掺杂InGaN层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源、Al源、Si源和C源，生长第三C-Si共掺杂AlGaN层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源和C源，生长第三C掺杂GaN层。
S244、生长末阱层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为700℃~900℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源和In源。
S245、生长末垒层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长C掺杂InGaN末垒层；控制反应室温度为800℃~1000℃，压力为50Torr~500Torr，通入N源、Ga源、Al源和C源，生长C掺杂AlGaN末垒层。
S25、生长电子阻挡层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃~1000℃，压力为100Torr~300Torr，通入N源、Ga源、Al源和In源。
S26、生长P型GaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为900℃~1050℃，压力为100Torr~600Torr，通入N源、Ga源和P型掺杂源。
MOCVD生长过程中，N源可以为NH3，Ga源可以为TMGa和/或TEGa，Al源可以为TMAl，C源可以为CCl4或其他金属有机源气(MO源)，In源可以为TMIn，N型掺杂源可以为SiH4，P型掺杂源可以为CP2Mg，Si源可以为SiH4，但不限于此。
下面以具体实施例进一步阐述本发明。
实施例1
本实施例提供一种发光二极管外延片，包括衬底及依次层叠于衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层。
衬底为蓝宝石衬底。
缓冲层为AlN缓冲层，厚度为15nm。
非掺杂GaN层的厚度为2μm。
N型GaN层的厚度为2μm，Si掺杂浓度为2.5×1019cm-3。
有源层包括第一超晶格层、末阱层和末垒层。第一超晶格层包括交替层叠的第一势阱层和第一势垒层，周期数为8，第一势阱层为InGaN层，厚度为1nm，In组分占比为0.15，第一势垒层包括依次层叠的第一C掺杂InGaN层、第一C-Si共掺杂AlGaN层和第一C掺杂GaN层，第一C掺杂InGaN层的厚度为0.5nm，In组分占比为0.01，C掺杂浓度为5×1016cm-3；第一C-Si共掺杂AlGaN层的厚度为1nm，Al组分占比为0.05，C掺杂浓度为5×1016cm-3，Si掺杂浓度为1×1017cm-3；第一C掺杂GaN层的厚度为1nm，C掺杂浓度为5×1016cm-3。末阱层为InGaN末阱层，厚度为1nm，In组分占比为0.15。末垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN末垒层和C掺杂AlGaN末垒层，C掺杂InGaN末垒层的厚度为0.5nm，In组分占比为0.01，C掺杂浓度为5×1016cm-3；C掺杂AlGaN末垒层的厚度为1nm，Al组分占比为0.05，C掺杂浓度为5×1016cm-3。
电子阻挡层为AlInGaN层，厚度为15nm，Al组分占比为0.1，In组分占比为0.05。
P型GaN层的厚度为15nm，Mg掺杂浓度为2×1020cm-3。
上述发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
S1、提供一衬底；
衬底选用蓝宝石衬底。
S2、在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层；具体的，S2包括以下步骤：
S21、生长缓冲层；
采用PVD生长AlN缓冲层。将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD中，在H2气氛进行预处理6min，处理温度为1100℃。
S22、生长非掺杂GaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1100℃，压力为150Torr，通入N源和Ga源。
S23、生长N型GaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为1120℃，压力为100Torr，通入N源、Ga源和N型掺杂源。
S24、生长有源层；具体的，S24包括以下步骤：
S241、生长第一超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为790℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和In源，生长第一势阱层；生长第一势垒层；重复层叠周期性生长第一势阱层和第一势垒层。具体的，第一势垒层的生长包括以下步骤：
控制反应室温度为850℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长第一C掺杂InGaN层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、Al源、Si源和C源，生长第一C-Si共掺杂AlGaN层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和C源，生长第一C掺杂GaN层。
S242、生长末阱层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为790℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和In源。
S243、生长末垒层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为850℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长C掺杂InGaN末垒层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、Al源和C源，生长C掺杂AlGaN末垒层。
S25、生长电子阻挡层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为965℃，压力为200Torr，通入N源、Ga源、Al源和In源。
S26、生长P型GaN层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为985℃，压力为200Torr，通入N源、Ga源和P型掺杂源。
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，超晶格层包括第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层。第一超晶格层包括交替层叠的第一势阱层和第一势垒层，周期数为8，第一势阱层为InGaN层，厚度为1nm，In组分占比为0.15，第一势垒层包括依次层叠的第一C掺杂InGaN层、第一C-Si共掺杂AlGaN层和第一C掺杂GaN层，第一C掺杂InGaN层的厚度为0.5nm，In组分占比为0.01，C掺杂浓度为1×1016cm-3；第一C-Si共掺杂AlGaN层的厚度为1nm，Al组分占比为0.05，C掺杂浓度为1×1016cm-3，Si掺杂浓度为1×1017cm-3；第一C掺杂GaN层的厚度为1nm，C掺杂浓度为1×1016cm-3。第二超晶格层包括交替层叠的第二势阱层和第二势垒层，周期数为8，第二势阱层为InGaN层，厚度为1nm，In组分占比为0.15，第二势垒层包括依次层叠的第二C掺杂InGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第二C掺杂GaN层，第二C掺杂InGaN层的厚度为0.5nm，In组分占比为0.01，C掺杂浓度为5×1016cm-3；第二C-Si共掺杂AlGaN层的厚度为1nm，Al组分占比为0.05，C掺杂浓度为5×1016cm-3，Si掺杂浓度为1×1017cm-3；第二C掺杂GaN层的厚度为1nm，C掺杂浓度为5×1016cm-3。第三超晶格层包括交替层叠的第三势阱层和第三势垒层，周期数为8，第三势阱层为InGaN层，厚度为1nm，In组分占比为0.15，第三势垒层包括依次层叠的第三C掺杂InGaN层、第三C-Si共掺杂AlGaN层和第三C掺杂GaN层，第三C掺杂InGaN层的厚度为0.5nm，In组分占比为0.01，C掺杂浓度为1×1017cm-3；第三C-Si共掺杂AlGaN层的厚度为1nm，Al组分占比为0.05，C掺杂浓度为1×1017cm-3，Si掺杂浓度为1×1017cm-3；第三C掺杂GaN层的厚度为1nm，C掺杂浓度为1×1017cm-3。
相应的，有源层的制备方法具体包括以下步骤：
S241a、生长第一超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为790℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和In源，生长第一势阱层；生长第一势垒层；重复层叠周期性生长第一势阱层和第一势垒层。具体的，第一势垒层的生长包括以下步骤：
控制反应室温度为850℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长第一C掺杂InGaN层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、Al源、Si源和C源，生长第一C-Si共掺杂AlGaN层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和C源，生长第一C掺杂GaN层。
S241b、生长第二超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为790℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和In源，生长第二势阱层；生长第二势垒层；重复层叠周期性生长第二势阱层和第二势垒层。具体的，第二势垒层的生长包括以下步骤：
控制反应室温度为850℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长第二C掺杂InGaN层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、Al源、Si源和C源，生长第二C-Si共掺杂AlGaN层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和C源，生长第二C掺杂GaN层。
S241c、生长第三超晶格层；
采用MOCVD生长，控制反应室温度为790℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和In源，生长第三势阱层；生长第三势垒层；重复层叠周期性生长第三势阱层和第三势垒层。具体的，第三势垒层的生长包括以下步骤：
控制反应室温度为850℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、In源和C源，生长第三C掺杂InGaN层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源、Al源、Si源和C源，生长第三C-Si共掺杂AlGaN层；控制反应室温度为855℃，压力为150Torr，通入N源、Ga源和C源，生长第三C掺杂GaN层。
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，第一势垒层的C掺杂浓度为2.8×1016cm-3，第二势垒层的C掺杂浓度为2.6×1016cm-3，第三势垒层的C掺杂浓度为2.4×1016cm-3，末垒层的C掺杂浓度为2.6×1016cm-3。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，第一超晶格层的周期数为3，第二超晶格层的周期数为4，第三超晶格层的周期数为3。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，第一C掺杂InGaN层、第二C掺杂InGaN层、第三C掺杂InGaN层和C掺杂InGaN末垒层的In组分占比沿外延方向由0.15逐渐下降至0.05。其余均与实施例4相同。
实施例6
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例5的区别在于，超晶格层中，第一C掺杂InGaN层、第二C掺杂InGaN层和第三C掺杂InGaN层的厚度为1nm，第一C-Si共掺杂AlGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第三C-Si共掺杂AlGaN层的厚度为2.5nm，第一C掺杂GaN层、第二C掺杂GaN层和第三C掺杂GaN层的厚度为7nm。其余均与实施例5相同。
实施例7
本实施例提供一种发光二极管外延片，其与实施例6的区别在于，末垒层中，C掺杂InGaN末垒层的厚度为1nm，C掺杂AlGaN末垒层的厚度为10nm。其余均与实施例6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，设置传统的InGaN/AlGaN超晶格层作为有源层，周期数为10，每个周期均包括InGaN量子阱层和AlGaN量子垒层。InGaN量子阱层的厚度为3.5nm，In组分占比为0.15，采用MOCVD生长，生长温度为795℃，生长压力为200torr；AlGaN量子垒层的厚度为9.8nm，Al组分占比为0.05，采用MOCVD生长，生长温度为855℃，生长压力为200torr。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，有源区不包括末阱层和末垒层；相应的，在制备方法中，不包括末阱层和末垒层的制备步骤。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，势垒层包括依次层叠的C-Si共掺杂AlGaN层和C掺杂GaN层；相应的，在制备方法中，不包括C掺杂InGaN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，势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层和C掺杂GaN层；相应的，在制备方法中，不包括C-Si共掺杂AlGaN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，势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层和C-Si共掺杂AlGaN层；相应的，在制备方法中，不包括C掺杂GaN层的制备步骤。其余均与实施例1相同。
性能测试：
将实施例1~实施例7和对比例1~对比例5制得的发光二极管外延片做成10mil×24mil的芯片并对其进行性能测试：
(1)光电性能：在120mA/60mA电流下测试，计算实施例1~实施例7、对比例2~对比例5相较于对比例1的光效提升率。
(2)工作电压：使用数字万用表进行工作电压测试。
表1 发光二极管外延片的性能测试结果
由表中可以看出，采用本发明的有源层结构能够有效降低LED的工作电压，并提高LED的发光效率。
以上所述是本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，包括衬底及依次层叠于所述衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，所述有源层包括超晶格层、末阱层和末垒层；
所述超晶格层包括交替层叠的势阱层和势垒层，所述势阱层为InGaN层；所述势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层、C-Si共掺杂AlGaN层和C掺杂GaN层；
所述末阱层为InGaN末阱层，所述末垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN末垒层和C掺杂AlGaN末垒层。
2.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述超晶格层包括依次层叠的第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层，所述第一超晶格层包括交替层叠的第一势阱层和第一势垒层，所述第一势阱层为InGaN层，所述第一势垒层包括依次层叠的第一C掺杂InGaN层、第一C-Si共掺杂AlGaN层和第一C掺杂GaN层；所述第二超晶格层包括交替层叠的第二势阱层和第二势垒层，所述第二势阱层为InGaN层，所述第二势垒层包括依次层叠的第二C掺杂InGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第二C掺杂GaN层；所述第三超晶格层包括交替层叠的第三势阱层和第三势垒层，所述第三势阱层为InGaN层，所述第三势垒层包括依次层叠的第三C掺杂InGaN层、第三C-Si共掺杂AlGaN层和第三C掺杂GaN层；
所述第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层的C掺杂浓度递减；
所述末垒层的C掺杂浓度与所述第二势垒层的C掺杂浓度相同。
3.如权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一势垒层、第二势垒层、第三势垒层和末垒层的C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3。
4.如权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一超晶格层、第二超晶格层和第三超晶格层的周期数为1~10，所述第二超晶格层的周期数大于所述第一超晶格层和第三超晶格层的周期数，所述第一超晶格层的周期数与所述第三超晶格层的周期数相同。
5.如权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一C掺杂InGaN层、第二C掺杂InGaN层和第三C掺杂InGaN层的厚度为0.5nm~5nm，In组分占比为0.01~0.3，In组分占比沿外延方向逐渐下降，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3；
所述第一C-Si共掺杂AlGaN层、第二C-Si共掺杂AlGaN层和第三C-Si共掺杂AlGaN层的厚度为1nm~10nm，Al组分占比为0.01~0.2，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3，Si掺杂浓度为1×1017cm-3~1×1018cm-3；
所述第一C掺杂GaN层、第二C掺杂GaN层和第三C掺杂GaN层的厚度为1nm~10nm，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3。
6.如权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述C掺杂InGaN末垒层的厚度为0.5nm~5nm，In组分占比为0.01~0.3，In组分占比沿外延方向逐渐下降，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3；
所述C掺杂AlGaN末垒层的厚度为1nm~20nm，Al组分占比为0.01~0.2，C掺杂浓度为1×1016cm-3~1×1017cm-3。
7.如权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一势阱层、第二势阱层和第三势阱层的厚度为1nm~10nm，In组分占比为0.01~0.5；
所述末阱层的厚度为1nm~10nm，In组分占比为0.01~0.5。
8.一种发光二极管外延片的制备方法，用于制备如权利要求1~7任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，包括以下步骤：
提供一衬底，在所述衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，所述有源层包括超晶格层、末阱层和末垒层；
所述超晶格层包括交替层叠的势阱层和势垒层，所述势阱层为InGaN层；所述势垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN层、C-Si共掺杂AlGaN层和C掺杂GaN层；
所述末阱层为InGaN末阱层，所述末垒层包括依次层叠的C掺杂InGaN末垒层和C掺杂AlGaN末垒层。
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，所述势阱层和末阱层的生长温度为700℃~900℃，生长压力为50Torr~500Torr；
所述势垒层和末垒层的生长温度为800℃~1000℃，生长压力为50Torr~500Torr。
10.一种发光二极管，其特征在于，所述发光二极管包括如权利要求1~7中任一项所述的发光二极管外延片。
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2024
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