CN118099313A - 一种发光二极管外延片、制备方法及led芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发光二极管外延片、制备方法及LED芯片，发光二极管外延片包括衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、有源层、P型层，有源层包括N个周期性交替生长的Si掺杂的氮极性AlGaN量子垒层和InGaN量子阱层，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，其中，Si掺杂浓度与层厚的数值比值为0.5～7，层厚与禁带宽度的数值比值为2～3。本发明先通过在GaN基发光二极管外延片中提高电子的势垒高度，降低空穴的势垒高度，能够减小电子的泄露，提高空穴向有源层的注入效率，从而提高内量子效率和提高抗静电能力。

Description

一种发光二极管外延片、制备方法及LED芯片

技术领域

本发明涉及LED芯片技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片、制备方法及LED芯片。

背景技术

GaN基外延片被广泛用于制造高效能的光电器件，例如LED。这种材料的特点在于其优异的电光性能，包括低的导通电阻、高的电流密度和快速的载流子动力学。

GaN基外延片一般包括衬底、缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、有源层、P型层，而且电子具有较低的有效质量而具有较高的迁移率，空穴具有较高的有效质量而具有较低的迁移率。

但是因电子具有较高的迁移率而容易从有源层泄露，而空穴具有较低的迁移率，不易从P型层注入到有源层，随着正向电流的逐渐增大，LED的内量子效率会大幅下降，由此降低了LED的发光效率。此外，在静电冲击时，因电子有效质量较小、迁移率较高，电子不容易被束缚在原地而易产生移动，增大了对LED的损害，由此降低了LED的抗静电能力。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种发光二极管外延片、制备方法及LED芯片，通过在GaN基发光二极管外延片中提高电子的势垒高度，降低空穴的势垒高度，能够减小电子的泄露，提高空穴向有源层的注入效率，从而提高内量子效率和提高抗静电能力。

一方面，本发明提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、有源层、P型层，有源层包括N个周期性交替生长的Si掺杂的氮极性AlGaN量子垒层和InGaN量子阱层，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，其中，氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度取值范围为5×10¹⁶atoms/cm³～1×10¹⁸atoms/cm³，氮极性AlGaN量子垒层的组分包括Sc、B，且Si掺杂浓度与层厚的数值比值为0.5～7，层厚与禁带宽度的数值比值为2～3。

进一步地，各氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度逐层递减的步长为2×10¹⁶atoms/cm³～8×10¹⁶atoms/cm³。

进一步地，氮极性AlGaN量子垒层的禁带宽度取值范围为3.4ev～4.2ev。

进一步地，各氮极性AlGaN量子垒层的禁带宽度逐层递减的步长为0.05ev～0.2ev。

进一步地，氮极性AlGaN量子垒层的层厚取值范围为5nm～15nm。

进一步地，各氮极性AlGaN量子垒层的层厚逐层递减的步长为0.1nm～1nm。

进一步地，氮极性AlGaN量子垒层和InGaN量子阱层交替生长的周期N取值范围为：4≤N≤20。

另一方面，基于同一个发明构思，本发明还提供了一种发光二极管外延片的制备方法，包括如下步骤：

提供一衬底；

在衬底上沉积缓冲层；

在缓冲层上沉积未掺杂的GaN层；

在GaN层上沉积N型GaN层；

在N型GaN层上沉积有源层；

在有源层上沉积P型层；

其中，有源层包括N个周期性交替生长的Si掺杂的氮极性AlGaN量子垒层和InGaN量子阱层，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度取值范围为5×10¹⁶atoms/cm³～1×10¹⁸atoms/cm³，氮极性AlGaN量子垒层的组分包括Sc、B，且Si掺杂浓度与层厚的数值比值为0.5～7，层厚与禁带宽度的数值比值为2～3。

另一方面，基于同一个发明构思，本发明还提供了一种LED芯片，应用了前述的发光二极管外延片。

本发明具有以下有益效果：通过采用沿生长方向越靠后的氮极性量子垒层禁带宽度越小、厚度越薄的设计，由此靠近N型半导体一侧的氮极性量子垒具有更大的禁带宽度、更厚的厚度，靠近P型半导体的一侧的氮极性量子垒具有更小的禁带宽度、更薄的厚度，这样可以提高电子的势垒高度，降低空穴的势垒高度，结合势垒层氮极性的设计，使得势垒层极化电场反转，产生P型指向N型方向的极化电场，达到防止电子泄露的效果，同时提高了空穴向有源层的注入效率，提升了电子和空穴的有效复合效率，进而提高了内量子效率；此外，氮极性量子垒层中进行Si掺杂可加强有源层中的电子浓度，在提高发光效率的同时可以降低器件工作电压，进一步地，采用沿生长方向越靠后的氮极性量子垒层Si掺杂浓度越低的设计，可提升器件的横向电流扩展能力，提高器件的抗静电能力以及发光均匀性，防止过量的Si掺杂导致过剩的电子泄露至P型半导体层，进一步提高了发光效率。

附图说明

图1为本发明实施例中的发光二极管外延片的结构示意图；

图2为本发明实施例中的发光二极管外延片制备方法的流程图；

主要元件符号说明：

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在GaN基发光二极管外延片中，为了提高电子的势垒高度，降低空穴的势垒高度，本申请提供了一种发光二极管外延片，如图1所示，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底、硅沉底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化镓中的任意一种。有源层5包括N个周期性交替生长的Si掺杂的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减。其中，氮极性AlGaN量子垒层52的组分包括Sc、B，即氮极性AlGaN量子垒层52的组分包括Sc或者包括B或者两者都包括。

P型层9由下到上包括P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，其中，设置P型电子阻挡层6主要是为了阻止电子泄露到P型层9中。

由于P型层9中Mg掺杂到一定浓度后，会形成Mg-H键和N空位，空穴浓度无法再有效提升，那么在空穴浓度已经偏低的情况下，叠加同样的电流密度，电子的迁移速率要远高于空穴，这将导致电子可能已经从N型GaN层4迁移到InGaN量子阱层51中的最后一个量子阱中，而空穴才从P型GaN层7迁移到倒数第一个或倒数第二个量子阱中，造成发光阱基本集中在最后几个量子阱，过剩的未和空穴复合的电子也容易迁移到P型层9中而发生非辐射复合，进而影响发光效率和发光均匀性，在大电流密度下这个现象会更显著。

为此，需将靠近N型GaN层4一侧的氮极性AlGaN量子垒层52设计成具备更大的禁带宽度和更厚的厚度，以此降低N型GaN层4中的电子在有源层5的迁移速率，而靠近P型GaN层7一侧的氮极性AlGaN量子垒层52则需要设计成具备更低的禁带宽度和更薄的厚度，以提高P型GaN层7中的空穴迁移速率，从而使得整个InGaN量子阱层51中的电子和空穴分布地更均匀，以此提高发光效率。但是，由于氮极性AlGaN量子垒层52具有高禁带宽度是通过增加高B、Al或者Sc等组分来实现的，这种情况下的氮极性AlGaN量子垒层52与InGaN量子阱层51之间会存在很大的晶格失配。同时，禁带宽度越大、厚度过厚，因失配产生的位错密度也会越高，由此影响晶体质量，降低出光效率，降低空穴向InGaN量子阱层51的注入效率，进而影响发光效率，而禁带宽度越小、厚度越薄，易造成电子泄露，降低器件的性能。此外，当氮极性AlGaN量子垒层52中的Si掺杂浓度过高并与其层厚数值的比值过大时，将导致过剩的电子泄露至P型层9中，导致抗静电能力降低，而且非辐射复合增加，导致发光效率下降。

因此，本实施例中将各氮极性AlGaN量子垒层52的层厚与禁带宽度的数值比值设置为2～3，Si掺杂浓度与层厚的数值比值为0.5～7，需要说明的是，Si掺杂浓度与层厚的数值比值指的是：在Si掺杂浓度采用计量单位atoms/cm³（每立方厘米中所含微粒的数量）和科学计数法（指数为16）表示，层厚采用计量单位nm（纳米）并用实数表示时，Si掺杂浓度数值的尾数部分与层厚实数数值的比值；同理，层厚与禁带宽度的数值比值指的是：在层厚采用计量单位nm（纳米）并用实数表示、禁带宽度采用计量单位ev（电子伏特）并用实数表示时，禁带宽度实数数值与层厚实数数值的比值。进一步地，将氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度取值限制在5×10¹⁶atoms/cm³～1×10¹⁷atoms/cm³范围内，将各氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度取值限制在3.4～4.2ev范围内，将各氮极性AlGaN量子垒层52的层厚取值限制在5nm～15nm范围内。

由于InGaN量子阱层51用来局限电子和空穴复合发光，为了保证一定的性能和发光亮度，优选地，氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51交替生长的周期N取值范围为4≤N≤20。

氮极性AlGaN量子垒层52进行Si掺杂可以实现降低工作电压的目的，但是由于过高的Si掺杂浓度会导致电子容易泄露至P型层9，降低器件性能。而且，一方面若沿生长方向相邻氮极性AlGaN量子垒层52中的Si掺杂浓度降幅太小，靠后的氮极性AlGaN量子垒层52则会具有相对较高的Si掺杂浓度，电子泄漏至P型层9中的风险较大；另一面若沿生长方向相邻氮极性AlGaN量子垒层52中的Si掺杂浓度降幅太大，靠后的氮极性AlGaN量子垒层52则会具有高电阻，不利于电流的扩散和工作电压的降低。因此，在一些优选的设计中，各氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度逐层递减的步长为2×10¹⁶atoms/cm³～8×10¹⁶atoms/cm³。

相邻氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度和厚度适当的降幅，能在一定程度上提升空穴向有源层5中InGaN量子阱层51注入的能力，尤其在前几个InGaN量子阱层51中表现得显著。但是，若相邻氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度和厚度降幅过大时，就会导致有源层5对于电子的限制能力下降，尤其是后几个氮极性AlGaN量子垒层52对电子的约束能力会显著降低，此时电子易从有源层5泄露至P型层9中，与空穴发生非辐射复合，降低了器件的发光效率和抗静电能力，因此需要对相邻氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度和厚度的降幅进行限定。在一些优选的设计中，将各氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度逐层递减的步长为0.05ev～0.2ev，各氮极性AlGaN量子垒层52的层厚逐层递减的步长为0.1nm～1nm。

另一方面，本发明还提供了一种发光二极管外延片的制备方法，如图2所示，包括步骤S100～S600：

S100、提供一衬底1，可选地，衬底1可以为蓝宝石衬底、硅沉底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化镓中的任意一种；

S200、在衬底1上沉积缓冲层2，可选地，缓冲层2可为AlN缓冲层、AlGaN缓冲层、GaN缓冲层中的任意一种或其组合。

具体地，缓冲层2通常采用化学气相沉积（CVD）方法进行制备。以制备包含依次沉积的AlN、AlGaN、GaN缓冲层为例，其具体沉积工艺为：将反应室的温度控制在750℃～820℃，压力控制在100torr～200torr，以NH₃作为氮源，TMGa作为镓源，TMAl作为铝源，将沉积的AlN缓冲层的生长厚度控制在5nm～25nm，将沉积的AlGaN缓冲层的生长厚度控制在0.5nm～3.0nm，将沉积的GaN缓冲层的生长厚度控制在5nm～25nm。

S300、在缓冲层2上沉积未掺杂的GaN层3；

具体地，未掺杂的GaN层3通常采用化学气相沉积（CVD）方法进行制备，其具体沉积工艺为：将反应室的温度控制在1000～1250℃，压力控制在100torr～300torr，以NH₃作为氮源，TMGa作为镓源，将沉积的未掺杂的GaN层3的生长厚度控制在1.0μm～1.7μm。

S400、在未掺杂的GaN层3上沉积N型GaN层4；

具体地，N型GaN层4通常采用化学气相沉积（CVD）方法进行制备，其具体沉积工艺为：将反应室温度控制在1000℃～1200℃，以NH₃做为氮源，TMGa作为镓源，SiH₄作为N型掺杂剂，同时将Si的掺杂浓度控制在5×10¹⁷atoms/cm³～1×10¹⁹atoms/cm³，将N型GaN层4的生长厚度控制在1.0μm～3.0μm。

S500、在N型GaN层4上沉积有源层5；

有源层5包括N个周期性交替排布的Si掺杂的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，且Si掺杂浓度与层厚的数值比值为0.5～7，层厚与禁带宽度的数值比值为2～3。需要说明的是，Si掺杂浓度与层厚的数值比值指的是：在Si掺杂浓度采用计量单位atoms/cm³（每立方厘米中所含微粒的数量）和科学计数法（指数为16）表示、层厚采用计量单位nm（纳米）并用实数表示时，Si掺杂浓度数值的尾数部分与层厚实数数值的比值；同理，层厚与禁带宽度的数值比值指的是：在层厚采用计量单位nm（纳米）并用实数表示、禁带宽度采用计量单位ev（电子伏特）并用实数表示时，禁带宽度实数数值与层厚实数数值的比值。其中，氮极性AlGaN量子垒层52的组分包括Sc、B，即氮极性AlGaN量子垒层52的组分包括Sc或者包括B或者两者都包括。

具体地，InGaN量子阱层51通常采用化学气相沉积（CVD）方法进行制备，其沉积工艺为：将反应室的温度控制在760℃～800℃，压力控制在150torr～250torr，以NH₃作为氮源，TEGa作为镓源，TMIn作为铟源，将沉积的InGaN量子阱层51的生长厚度控制在2nm～5nm。

以制备分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52为例，其具体沉积工艺为：将反应室的温度控制在860℃～900℃，压力控制在100torr～200torr，以NH₃作为氮源，TEGa作为镓源，TEB作为硼源，TMAl作为铝源，SiH₄作为掺杂剂，同时将Si的掺杂浓度控制在5×10¹⁶atoms/cm³～1×10¹⁷atoms/cm³，将沉积的氮极性AlGaN量子垒层52的生长厚度控制在5nm～15nm。

S600、在有源层5上沉积P型层9；

其中，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，其中，设置P型电子阻挡层6主要是为了阻止电子泄露到P型层9中。

具体地，P型电子阻挡层6通常采用化学气相沉积（CVD）方法进行制备，其沉积工艺为：将反应室的温度控制在950℃～1050℃，压力控制在150torr～250torr，承载衬底1的石墨盘转速控制在800r/min～1200r/min，以NH₃做为氮源，TEGa作为镓源，TMAl作为铝源，TMIn作为铟源，将沉积的P型电子阻挡层6的生长厚度控制在10nm～30nm。

具体地，Mg掺杂的P型GaN层7通常采用化学气相沉积（CVD）方法进行制备，其沉积工艺为：将反应室的温度控制在980℃～1050℃，以NH₃做为氮源，TEGa作为镓源，CP₂Mg（二茂镁）作为P型掺杂剂，在H₂氛围下将沉积的P型GaN层7的生长厚度控制在15nm～20nm，其中，Mg掺杂浓度为5×10¹⁹atoms/cm³～5×10²⁰atoms/cm³。

具体地，Mg掺杂的P型接触层8通常采用化学气相沉积（CVD）方法进行制备，其沉积工艺为：将反应室的温度控制在850℃～950℃，压力控制在150torr～250torr，承载衬底1的石墨盘转速控制在800r/min～1000r/min，以NH₃做为氮源，TEGa作为镓源，TMAl作为铝源，TMIn作为铟源，CP₂Mg（二茂镁）作为P型掺杂剂，使得生长出具体为AlInGaN层的P型接触层，将沉积的P型接触层8的生长厚度控制在3nm～10nm，其中，Mg掺杂浓度为5×10²⁰atoms/cm³～5×10²¹atoms/cm³。

此外，本发明还提供了一种LED芯片，应用了前述的发光二极管外延片。

下面以具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例一：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括10个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，具体如表1所示：

表1

实施例二：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括6个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，具体如表2所示：

表2

实施例三：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括15个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，具体如表3所示：

表3

实施例四：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括10个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为ScAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，具体如表4所示：

表4

实施例五：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括10个周期性交替生长的Si掺杂的包含B、ScAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，具体如表5所示：

表5

对比例一：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括10个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，与实施例一不同的是，本实施例中沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度不变且为4.75ev。

对比例二：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括10个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度、禁带宽度逐层递减，与实施例一不同的是，本实施例中沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的层厚不变且为10nm。

对比例三：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括10个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度、层厚逐层递减，与实施例一不同的是，本实施例中沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度不变且为5×10¹⁷atoms/cm³。

对比例四：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括10个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度、层厚逐层递减，具体数值请参见表1，与实施例一不同的是，本实施例中沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52不掺杂Si。

对比例五：

本实施例提供了一种发光二极管外延片，包括：衬底1以及依次层叠在衬底1上的缓冲层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层4、有源层5、P型层9，衬底1为蓝宝石衬底，缓冲层2包括依次生长的AlN、AlGaN、GaN层，P型层9由下到上包括依次生长的P型电子阻挡层6、Mg掺杂的P型GaN层7、Mg掺杂的P型接触层8，有源层5包括10个周期性交替生长的Si掺杂的分子式为BAlGaN的氮极性AlGaN量子垒层52和InGaN量子阱层51，沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度逐层递减，具体数值请参见表1，与实施例一不同的是，本实施例中沿生长方向各氮极性AlGaN量子垒层52不掺杂Si，且层厚不变，具体数值为10nm。

将实施例一至五、对比例一至五提供的发光二极管外延片，在同等条件下进行测试，得到各实施例获得的抗静电能力的结果，以及以对比例五获得的发光效率为参考获得实施例一至五、对比例一至四的发光效率的提升程度，具体数据如表6所示：

表6

从表6中可以看出，在相同的测试条件下，采用本发明实施例一和实施例三提供的发光二极管外延片，相比对比例四在各氮极性AlGaN量子垒层52中不掺杂Si，发光效率和抗静电能力明显更好，虽然由于实施例二中的生长周期因减小较多，降低了有源层5对载流子的限制作用，导致发光效率反而提升较小，但是其抗静电能力表现强；实施例一至五相比对比例五中在各氮极性AlGaN量子垒层52中不掺杂Si且层厚设置为常量，发光效率和抗静电能力也明显更好。同时，相比对比例一中将各氮极性AlGaN量子垒层52的禁带宽度设置为常量且超过4.2ev、对比例二中将各氮极性AlGaN量子垒层52的层厚设置为常量、对比例三中将各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度设置为常量，实施例一、四、五的发光效率和抗静电能力明显更好。此外，同时对比对比例一、二、三，将各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度设置为常量与将各氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度逐层递减相比，发光效率更高，但是前者由于Si掺杂浓度较高容易导致电子泄露至P型层9，导致抗静电能力相对较弱。

综上，本申请通过采用沿生长方向越靠后的氮极性AlGaN量子垒层52禁带宽度越小、厚度越薄的设计，由此靠近N型GaN层4一侧的氮极性量子垒层具有更大的禁带宽度、更厚的厚度，靠近P型层9的一侧的氮极性量子垒具有更小的禁带宽度、更薄的厚度，这样可以提高电子的势垒高度，降低空穴的势垒高度，结合势垒层氮极性的设计，使得势垒层极化电场反转，产生P型指向N型方向的极化电场，达到防止电子的泄露的效果，同时提高了空穴向有源层5的注入效率，提升了电子和空穴的有效复合效率，进而提高了内量子效率；此外，氮极性AlGaN量子垒层52中进行Si掺杂可加强有源层5中的电子浓度，在提高发光效率的同时可以降低器件工作电压，进一步地，采用沿生长方向越靠后的氮极性AlGaN量子垒层52的Si掺杂浓度越低的设计，可提升器件的横向电流扩展能力，提高器件的抗静电能力以及发光均匀性，防止过量的Si掺杂导致过剩的电子泄露至P型层9，进一步提高了发光效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括：

衬底；

依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、有源层、P型层；

所述有源层包括N个周期性交替生长的Si掺杂的氮极性AlGaN量子垒层和InGaN量子阱层，沿生长方向各所述氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减；

其中，所述氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度取值范围为5×10¹⁶atoms/cm³～1×10¹⁷atoms/cm³，所述氮极性AlGaN量子垒层的组分包括Sc、B，且Si掺杂浓度与层厚的数值比值为0.5～7，层厚与禁带宽度的数值比值为2～3。

2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，各所述氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度逐层递减的步长为2×10¹⁶atoms/cm³～8×10¹⁶atoms/cm³。

3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述氮极性AlGaN量子垒层的禁带宽度取值范围为3.4ev～4.2ev。

4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片，其特征在于，各所述氮极性AlGaN量子垒层的禁带宽度逐层递减的步长为0.05ev～0.2ev。

5.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述氮极性AlGaN量子垒层的层厚取值范围为5nm～15nm。

6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，各所述氮极性AlGaN量子垒层的层厚逐层递减的步长为0.1nm～1nm。

7.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述氮极性AlGaN量子垒层和所述InGaN量子阱层交替生长的周期N取值范围为：4≤N≤20。

8.一种如权利要求1至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，包括如下步骤：

提供一衬底；

在所述衬底上沉积缓冲层；

在所述缓冲层上沉积未掺杂的GaN层；

在所述GaN层上沉积N型GaN层；

在所述N型GaN层上沉积有源层；

在所述有源层上沉积P型层；

其中，所述有源层包括N个周期性交替生长的Si掺杂的氮极性AlGaN量子垒层和InGaN量子阱层，沿生长方向各所述氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度、禁带宽度、层厚逐层递减，所述氮极性AlGaN量子垒层的Si掺杂浓度取值范围为5×10¹⁶atoms/cm³～1×10¹⁷atoms/cm³，所述氮极性AlGaN量子垒层的组分包括Sc、B，且Si掺杂浓度与层厚的数值比值为0.5～7，层厚与禁带宽度的数值比值为2～3。

9.一种LED芯片，其特征在于，应用了如权利要求 1 至 7 任一项所述的发光二极管外延片。