CN114335273B - 一种led外延片及其制备方法、led芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发光二极管外延片技术领域，具体而言，涉及一种LED外延片及其制备方法、LED芯片。所述的LED外延片包括在衬底表面依次层叠设置的N型半导体层、有源层、耗尽区层和P型半导体层；所述耗尽区层包括依次层叠设置的第一超晶格层和第二超晶格层；所述第一超晶格层包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层；所述第二超晶格层包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层。所述第一超晶格层的势能高，可以阻挡电子，减少电子溢流；所述第二超晶格层提供空穴，以减少P型半导体层提供的空穴在耗尽区的能量损失，从而提高有源层中空穴的数量，进而提高电子和空穴的辐射复合效率。

Description

一种LED外延片及其制备方法、LED芯片

技术领域

本发明涉及发光二极管外延片技术领域，具体而言，涉及一种LED外延片及其制备方法、LED芯片。

背景技术

氮化镓(GaN)基发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)因具有寿命长、功耗低以及无污染等优点，被广泛应用于显示、照明等诸多领域。其中，GaN是一种宽带隙化合物半导体材料，其具有发射蓝光、高温、高频、高压、大功率，以及耐酸、耐碱和耐腐蚀等特点，是继锗、硅和砷化镓之后重要的半导体材料，这使得它在蓝光和紫外光电子学技术领域占有重要地位，也是制作高温、大功率半导体器件的理想材料。

LED外延片是指在一块加热至适当温度的衬底基片上所生长出的特定单晶薄膜。外延片处于LED产业链中的上游环节，是半导体照明产业技术含量最高，对最终产品品质和成本控制影响最大的环节。

虽然GaN基LED已经产业化，但是，高亮度外延片对LED而言至关重要。提供一种可以提升GaN基LED发光二极管亮度的外延片具有重要意义。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种LED外延片，通过在有源层和P型半导体层之间设置耗尽区层，耗尽区层的第一超晶格层的势能高，可以阻挡电子，减少电子溢流；耗尽区层的第二超晶格层提供空穴，以减少P型半导体层提供的空穴在耗尽区的能量损失，从而提高有源层中空穴的数量，进而提高了电子和空穴的辐射复合效率。并且，耗尽区层中的电势由高到低，能使P型半导体层中的空穴更易进入有源层，从而进一步提高空穴的数量，提高电子和空穴的辐射复合效率，最终提高发光二极管的内量子效率。

本发明的第二目的在于提供一种所述的LED外延片的制备方法，该制备方法制得的LED外延片能够提高发光二极管的内量子效率。

本发明的第三目的在于提供一种LED芯片，该LED芯片的内量子效率高，发光性能好。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明提供了一种LED外延片，包括在衬底表面依次层叠设置的N型半导体层、有源层、耗尽区层和P型半导体层；

其中，所述耗尽区层包括依次层叠设置的第一超晶格层和第二超晶格层；

所述第一超晶格层包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层；

所述第二超晶格层包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层。

优选地，所述第一超晶格层和所述第二超晶格层之间还设置有P型GaN过渡层；

优选地，所述P型GaN过渡层的厚度为1～2nm。

优选地，所述第一超晶格层的交替生长的周期为2～5个周期；

优选地，所述第一超晶格层的厚度为3～6nm。

优选地，所述第二超晶格层的交替生长的周期为2～5个周期；

优选地，所述第二超晶格层的厚度为10～15nm。

优选地，所述第一超晶格层中所用的P型杂质的掺杂浓度为5×10¹⁷～5×10¹⁸atom/cm³；

和/或；

所述第二超晶格层中所用的P型杂质的掺杂浓度为5×10¹⁸～2×10²⁰atom/cm³。

优选地，所述有源层包括呈周期性交替层叠生长的InGaN势阱层和GaN势垒层；所述耗尽区层为最后一层势垒层，设置在所述InGaN势阱层或所述GaN势垒层的表面。

优选地，所述耗尽区层的厚度为5～40nm。

本发明还提供了如上所述的LED外延片的制备方法，包括如下步骤：

采用MOCVD法，在衬底的表面依次生长N型半导体层、有源层、耗尽区层和P型半导体层，得到所述LED外延片；

其中，所述耗尽区层包括在所述有源层的表面依次生长的第一超晶格层和第二超晶格层；

所述第一超晶格层包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层；

所述第二超晶格层包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层。

优选地，所述第一超晶格层和所述第二超晶格层之间，还包括P型GaN过渡层；

优选地，所述P型GaN过渡层的生长温度为800～850℃，生长压力为200～300mbar。

优选地，所述第一超晶格层的生长温度为800～850℃；

和/或，所述第二超晶格层的生长温度为850～900℃；

优选地，所述第一超晶格层和/或所述第二超晶格层的生长压力为200～300mbar。

本发明还提供了一种LED芯片，包括如上所述的LED外延片。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明所提供的LED外延片，通过在有源层和P型半导体层之间设置耗尽区层，该耗尽区层包括依次层叠设置的第一超晶格层和第二超晶格层；其中，第一超晶格层包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层，该第一超晶格层的势能高，可以阻挡电子，减少电子溢流。第二超晶格层包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层，该第二超晶格层可以提供空穴，并减少P型半导体层提供的空穴在耗尽区的能量损失，提高有源层中空穴的数量，从而提高了电子和空穴的辐射复合效率。并且，第一超晶格层和第二超晶格层的电势由高到低，能使P型半导体层中的空穴更易进入有源层，从而进一步提高空穴的数量，提高电子和空穴的辐射复合效率，最终提高发光二极管的内量子效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的LED外延片的结构示意图；

图2为本发明提供的LED外延片的另一结构示意图；

图3为本发明提供的N型半导体层的结构示意图；

图4为本发明提供的P型半导体层的结构示意图；

图5为本发明提供的另一N型半导体层的结构示意图；

图6为本发明提供的另一P型半导体层的结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的LED外延片的结构示意图；

图8为本发明实施例3提供的LED外延片的结构示意图。

附图标记：

1-衬底；2-N型半导体层；201-低温GaN缓冲层；

202-非掺杂GaN层；203-掺杂N型杂质的N型 3-有源层；

GaN层；

4-耗尽区层；41-第一超晶格层；42-第二超晶格层；

43-P型GaN过渡层；5-P型半导体层；501-低温P型InAlGaN层；

502-AlGaN电子阻挡层；503-掺杂P型杂质的P型

GaN层。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明提供的LED外延片的结构示意图；图2为本发明提供的LED外延片的另一结构示意图；图3为本发明提供的N型半导体层的结构示意图；图4为本发明提供的P型半导体层的结构示意图；图5为本发明提供的另一N型半导体层的结构示意图；图6为本发明提供的另一P型半导体层的结构示意图；图7为本发明实施例2提供的LED外延片的结构示意图；图8为本发明实施例3提供的LED外延片的结构示意图。

如图1所示，本发明提供的LED外延片，包括在衬底1表面依次层叠设置的N型半导体层2、有源层3、耗尽区层4和P型半导体层5。

其中，所述耗尽区层4包括依次层叠设置的第一超晶格层41和第二超晶格层42。

所述第一超晶格层41包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层。

所述第二超晶格层42包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层。

本发明在有源层3和P型半导体层5之间设置耗尽区层4，耗尽区层4包括依次层叠设置的第一超晶格层41和第二超晶格层42。其中，第一超晶格层41的势能高，可以起到阻挡电子、减少电子溢流的作用；第二超晶格层42可以提供空穴，减少P型半导体层5提供的空穴在耗尽区的能量损失，从而提高有源层3中空穴的数量，进而提高电子和空穴的辐射复合效率。

并且，耗尽区层4中的第一超晶格层41的电势高于第二超晶格层42的电势，这样能使P型半导体层5中的空穴更易进入有源层3，从而进一步提高空穴的数量，提高电子和空穴的辐射复合效率，最终提高发光二极管的内量子效率。

如图2所示，在本发明一些具体的实施例中，所述第一超晶格层41和所述第二超晶格层42之间还设置有P型GaN过渡层43。

其中，由于AlN层和P型AlGaN层能带大于P型GaN层和P型InN层能带，因此将P型GaN过渡层43作为高势能到低势能的过渡层，由于第一超晶格层41和第二超晶格层42能带差异大，可以起到减小能带倾斜的效果。

优选地，所述P型GaN过渡层43的厚度为1～2nm，包括但不限于1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm、1.7nm、1.8nm、1.9nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

将所述P型GaN过渡层43的厚度设置在上述范围内，第一，有利于P层空穴从低势能到高势能更加通畅。第二，P型GaN过渡层43防止部分电子越过第一超晶格层41进入P型半导体层5或者耗尽区层4与空穴产生非辐射复合。厚度薄起不到防止部分电子越过第一超晶格层41进入P型半导体层5或者耗尽区层4高掺部分与空穴产生非辐射复合的效果，厚度厚阻抗变大又会造成能量损失。第三，由于第一超晶格层41和第二超晶格层42能带差异大，可以起到减小能带倾斜的效果。

在本发明一些具体的实施例中，所述第一超晶格层41的交替生长的周期为2～5个周期；包括但不限于3个周期、4个周期中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，所述第一超晶格层41的厚度为3～6nm，包括但不限于3.5nm、4nm、4.5nm、5nm、5.5nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

在本发明一些具体的实施例中，所述第二超晶格层42的交替生长的周期为2～5个周期；包括但不限于3个周期、4个周期中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，所述第二超晶格层42的厚度为10～15nm，包括但不限于10.5nm、11nm、12nm、13nm、14nm、14.5nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

在上述生长周期和厚度范围内的第一超晶格层和第二超晶格层，采用超晶格生长有利于电流扩散，能够保证其在不同电流密度下，提高电流的横向扩展能力。第一超晶格层41生长能带较高，偏向于三维生长，太厚容易出现裂纹，影响外延层的生长质量，太薄起不到限制电子的作用，容易产生非辐射复合。由于P型GaN过渡层43的作用，第二超晶格层42生长可以相对第一超晶格层41层加厚，以此来获得更多的空穴。

在本发明一些具体的实施例中，所述第一超晶格层41中所用的P型杂质的掺杂浓度(即所述第一超晶格层中的P型AlGaN层中所采用的P型杂质的掺杂浓度)为5×10¹⁷～5×10¹⁸atom/cm³；包括但不限于6×10¹⁷atom/cm³、7×10¹⁷atom/cm³、8×10¹⁷atom/cm³、9×10¹⁷atom/cm³、1×10¹⁸atom/cm³、2×10¹⁸atom/cm³、3×10¹⁸atom/cm³、4×10¹⁸atom/cm³中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

和/或；

所述第二超晶格层42中所用的P型杂质的掺杂浓度(即所述所述第二超晶格层中的P型GaN层和/或P型InN层所采用的P型杂质的掺杂浓度)为5×10¹⁸～2×10²⁰atom/cm³，包括但不限于6×10¹⁸atom/cm³、7×10¹⁸atom/cm³、8×10¹⁸atom/cm³、9×10¹⁸atom/cm³、1×10¹⁹atom/cm³、3×10¹⁹atom/cm³、5×10¹⁹atom/cm³、7×10¹⁹atom/cm³、9×10¹⁹atom/cm³、1×10²⁰atom/cm³中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

通过设置特定的P型杂质的掺杂浓度，靠近P型杂质掺杂浓度逐渐增加，一方面能够提供更多空穴来弥补P型半导体层5在耗尽区层4的能量损失；另一方面可防止部分电子越过P型GaN过渡层43到达P型半导体层5和第二超晶格层42高掺杂部分非辐射复合。

在本发明一些具体的实施例中，所述有源层3包括呈周期性交替层叠生长的InGaN势阱层和GaN势垒层；所述耗尽区层4作为最后一层势垒层，其设置在所述InGaN势阱层或所述GaN势垒层的表面。

如图3所示，为本发明提供的N型半导体层2的结构示意图。在本发明一些具体的实施例中，所述N型半导体层2包括层叠设置的非掺杂GaN层202和/或掺杂N型杂质的N型GaN层203。

在本发明一些具体的实施例中，所述N型半导体层2的厚度为1～8μm，包括但不限于2μm、3μm、4μm、5μm、6μm或7μm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

在本发明一些具体的实施例中，所述N型杂质包括Si。

优选地，所述Si源包括SiH₄。

优选地，所述N型杂质的掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰atom/cm³。

在本发明一具体的实施方式中，所述有源层3包括层叠设置的GaN势垒层和InGaN阱层。

优选地，所述有源层3包括GaN/InGaN超晶格结构，其中，GaN层和InGaN层呈周期性交替生长。

优选地，所述有源层3的生长周期为8～15个周期。

优选地，所述有源层3的厚度为1～3μm，还可以选择2μm。采用该厚度范围既有利于保证亮度，又控制了成本。

在本发明一些具体的实施例中，所述耗尽区层4的厚度为5～40nm，包括但不限于7nm、9nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、38nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

和/或；

如图4所示，所述P型半导体层5包括层叠设置的低温P型InAlGaN层501和/或掺杂P型杂质的P型GaN层503。

在本发明一些优选的实施例中，所述P型半导体层5的厚度为20～260nm，包括但不限于30nm、50nm、60nm、70nm、90nm、100nm、150nm、160nm、180nm、200nm、220nm、240nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

在本发明一些优选的实施例中，所述P型杂质包括Mg。

优选地，所述Mg源包括CP₂Mg。

优选地，所述P型杂质的掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰atom/cm³。

在本发明一优选的实施方式中，如图5所示，所述LED外延片还包括低温GaN缓冲层201。所述低温GaN缓冲层201设置在所述衬底和所述非掺杂GaN层202之间。

在本发明一优选的实施方式中，如图6所示，所述LED外延片还包括AlGaN电子阻挡层502，所述AlGaN电子阻挡层502设置在所述低温P型InAlGaN层501和所述掺杂P型杂质的P型GaN层503之间。

优选地，所述AlGaN电子阻挡层502的厚度为20～30nm。

本发明还提供了如上所述的LED外延片的制备方法，包括如下步骤：

采用MOCVD法，在衬底1的表面依次生长N型半导体层2、有源层3、耗尽区层4和P型半导体层5，得到所述LED外延片。

其中，所述耗尽区层4包括在所述有源层的表面依次生长的第一超晶格层41和第二超晶格层42。

所述第一超晶格层41包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层。

所述第二超晶格层42包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层。

其中，MOCVD是一种新型气相外延生长技术，其是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V主族、Ⅱ-Ⅵ副族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

本发明通过在有源层3和P型半导体层5之间生长耗尽区层4，能够减少耗尽区能量损失，从而提高GaN白光LED发光效率。

在本发明一具体的实施方式中，所述衬底1为图形化衬底。

优选地，所述图形化衬底的材质包括蓝宝石、AlN、SiC和Si中的至少一种。

在本发明一些具体的实施例中，所述第一超晶格层41和所述第二超晶格层42之间，还包括P型GaN过渡层43。

优选地，所述P型GaN过渡层43的生长温度为800～850℃，包括但不限于810℃、820℃、830℃、840℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，所述P型GaN过渡层43的生长压力为200～300mbar，包括但不限于210mbar、230mbar、250mbar、270mbar、290mbar中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

在本发明一些具体的实施例中，所述第一超晶格层41的生长温度为800～850℃；包括但不限于810℃、820℃、830℃、840℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

和/或，所述第二超晶格层42的生长温度为850～900℃；包括但不限于860℃、870℃、880℃、890℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，所述第一超晶格层41和/或所述第二超晶格层42的生长压力为200～300mbar，包括但不限于210mbar、230mbar、250mbar、270mbar、290mbar中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

在本发明一些具体的实施例中，制备所述LED外延片过程中所用的载气包括氢气和/或氮气。

优选地，所述氮气的通入流量为0～300L/min，包括但不限于50L/min、100L/min、150L/min、200L/min、250L/min中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，所述氢气的通入流量为75～200L/min，包括但不限于100L/min、120L/min、150L/min、180L/min中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，制备所述LED外延片过程中所用的氮源包括氨气。

优选地，制备所述LED外延片过程中所用的稼源包括TMGa(三甲基镓)和/或TEGa(三乙基镓)。

优选地，制备所述LED外延片过程中所用的铟源包括TMIn(三甲基铟)和/或TEIn(三乙基铟)。

优选地，制备所述LED外延片过程中所用的铝源包括TMAl(三甲基铝)和/或TEAl(三乙基铝)。

优选地，制备所述LED外延片的过程中，反应腔压力为130～600mbar，包括但不限于150mbar、200mbar、250mbar、300mbar、350mbar、400mbar、450mbar、500mbar、550mbar中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，所述N型半导体层2的生长温度为500～1200℃，包括但不限于550℃、600℃、650℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；反应腔压力为200～600mbar，包括但不限于250mbar、300mbar、350mbar、400mbar、450mbar、500mbar、550mbar中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，生长所述N型半导体层2的过程中，氢气(载气)的通入流量为150～200L/min，包括但不限于160L/min、170L/min、180L/min、190L/min中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，生长所述掺杂N型杂质的N型GaN层203的过程中，N型杂质的通入流量为30～1200sccm，包括但不限于40sccm、50sccm、60sccm、80sccm、100sccm、160sccm、200sccm、300sccm、400sccm、500sccm、700sccm、800sccm、1000sccm、1100sccm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

在本发明一具体的实施方式中，所述有源层3的生长温度为750～800℃，包括但不限于760℃、770℃、780℃、790℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；反应腔压力为200～300mbar，包括但不限于210mbar、230mbar、250mbar、270mbar、280mbar、290mbar中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，生长所述有源层3的过程中，氢气(载气)的通入流量为150～200L/min，包括但不限于160L/min、170L/min、180L/min、190L/min中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

在本发明一具体的实施方式中，所述P型半导体层5的生长温度为750～1050℃，包括但不限于800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃、1030℃中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值；反应腔压力为100～500mbar，包括但不限于150mbar、200mbar、250mbar、300mbar、350mbar、400mbar、450mbar中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，生长所述P型半导体层5的过程中，氢气(作为载气)的通入流量为100～150L/min，包括但不限于110L/min、120L/min、130L/min、140L/min中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，生长所述P型半导体层5的过程中，P型杂质的通入流量为50～2500sccm，包括但不限于80sccm、100sccm、150sccm、200sccm、250sccm、300sccm、400sccm、500sccm、600sccm、800sccm、1000sccm、1200sccm、1400sccm、1500sccm、1700sccm、1900sccm、2000sccm、2300sccm、2400sccm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

优选地，在所述依次生长N型半导体层2、有源层3、耗尽区层4和P型半导体层5之后，还包括冷却的步骤。

本发明还提供了一种LED芯片，包括如上所述的LED外延片。该LED芯片的内量子效率高，发光性能好。

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1

本实施例提供的LED外延片参考图1，其包括在蓝宝石衬底1表面依次层叠设置的N型半导体层(掺杂Si的N型GaN层)2、有源层3(GaN势垒层和InGaN阱层)、耗尽区层4和N型半导体层(掺杂Mg的P型GaN层)5。

其中，所述耗尽区层4包括依次层叠设置的第一超晶格层41(周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层，厚度为4nm)，和第二超晶格层42(周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层，厚度为12nm)；

本实施例提供的LED外延片的制备方法，是采用MOCVD法，以高纯H₂作为载气，高纯NH₃作为N源，TEGa作为稼源，TEAl作为铝源。

所述制备方法具体包括如下步骤：

(1)处理蓝宝石(镀AlN)衬底1，衬底为PSS衬底，PSS图形上沉积有AlN层：在温度为1000～1200℃，反应腔压力100～300mbar，通入75～150L/min的H₂条件下，处理2～5min。

(2)生长N型半导体层(掺杂Si的N型GaN层)2：在温度为1000～1200℃，反应腔压力为300～600mbar，150～200L/min的H₂条件下，通入45000～60000sccm的NH₃，TEGa的通入流量为800～1200sccm，SiH₄的通入流量为30～80sccm，Si掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰atom/cm³的条件下生长。

(3)生长有源层3：生长InGaN势阱层，将反应腔压力控制在200～300mbar，温度为750～800℃，通入流量65000～75000sccm的NH₃，TEGa的通入流量为400～800sccm，N₂流量50000～70000sccm。生长GaN势垒层，将温度生长到850～900℃，N₂流量30000～50000sccm，H₂流量为10000～30000sccm，TEGa的通入流量为800～1200sccm，SiH₄的通入流量为5～20sccm，生长周期数为8～15个。

(4)生长耗尽区层4：调节反应腔温度为800～850℃，保持其他条件不变，生长AlN/P型AlGaN超晶格结构，生长周期为2～5个周期，其中，Mg(即P型AlGaN中所用的P型杂质)掺杂浓度从5×10¹⁷均匀增加到5×10¹⁸atom/cm³；

然后，将反应腔温度升至850～900℃(其他条件不变)，生长P型GaN/P型InN超晶格结构，生长周期为2～5周期，其中，Mg(即P型GaN/P型InN超晶格结构中所用的P型杂质)的掺杂浓度由5×10¹⁸atom/cm³均匀增加到2×10²⁰atom/cm³。

(5)生长P型半导体层5(掺杂Mg的P型GaN层)：在温度为950～1000℃，反应腔压力200～500mbar，通入50000～70000sccm的NH₃，1500～2500sccm的TEGa、1000～2000sccm的CP₂Mg条件下生长；其中，Mg掺杂浓度为1×10¹⁹atom/cm³～1×10²⁰atom/cm³。

(6)冷却降温，得到所述LED外延片。

实施例2

本实施例提供的LED外延片参考图7，其包括在蓝宝石衬底1表面依次层叠设置的N型半导体层2、有源层3、耗尽区层4和P型半导体层5。

其中，所述N型半导体层2包括依次层叠设置的低温GaN缓冲层201、非掺杂GaN层202和掺杂N型杂质的N型GaN层(掺杂Si的N型GaN层)203；

所述有源层3为GaN/InGaN超晶格结构层(GaN和InGaN呈周期性交替生长)；

所述耗尽区层4包括依次层叠设置的第一超晶格层41(周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层，厚度为6nm)，P型GaN过渡层43(厚度为2nm)和第二超晶格层42(周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层，厚度为15nm)；

所述P型半导体层5包括依次层叠设置的低温P型InAlGaN层(掺杂In和Al的低温P型GaN层)501(厚度为40nm)，AlGaN电子阻挡层502(厚度为25nm)和掺杂P型杂质的P型GaN层(掺杂Mg的P型GaN层)503(厚度为100nm)。

本实施例提供的LED外延片的制备方法，是采用MOCVD法，以高纯H₂作为载气，高纯NH₃作为N源，金属有机源三甲基镓(TMGa)作为稼源，TMIn作为铟源，TMAl作为铝源，CP₂Mg作为P型掺杂剂，SiH₄作为N型掺杂剂，在衬底1的表面依次生长N型半导体层2、有源层3、耗尽区层4和P型半导体层5。

所述制备方法具体包括如下步骤：

(1)处理蓝宝石(镀AlN)衬底1，衬底为PSS衬底，PSS图形上沉积有AlN层：在温度为1000～1200℃，反应腔压力100～300mbar，通入75～150L/min的H₂条件下，处理2～5min。

(2)生长低温GaN缓冲层201(低温非掺杂N型GaN缓冲层)：在温度为500～800℃，反应腔压力为200～500mbar，通入15000～30000sccm的NH₃和150～200L/min的H₂条件下，生长低温非掺杂N型GaN缓冲层上形成小岛。

(3)生长非掺杂GaN层202(非掺杂N型GaN层)：在温度为1000～1200℃，反应腔压力为300～600mbar，通入45000～60000sccm的NH₃，TMGa的通入流量为200～700sccm，150～200L/min的H₂条件下，生长非掺杂N型GaN层。

(4)生长掺杂N型杂质的N型GaN层203(掺杂Si的N型GaN层)，保持步骤(3)的压力、温度以及H₂条件，通入45000～70000sccm的NH₃，TMGa的通入流量为800～1200sccm，SiH₄的通入流量为30～80sccm，Si掺杂浓度为1×10¹⁹～1×10²⁰atom/cm³。

(5)生长有源层3：量子阱(InGaN)生长将反应腔压力控制在200～300mbar，温度为750～800℃，通入流量65000～75000sccm的NH₃，N₂流量为50000～70000sccm，TMGa的通入流量为400～800sccm；量子垒(GaN)生长将温度升到850～900℃，N₂流量设定为30000～50000sccm，H₂流量设定为10000～30000sccm，TMGa的通入流量为800～1200sccm，SiH₄的通入流量为5～20sccm，生长周期数为8～15个。

(6)生长第一超晶格层41：调节反应腔温度为800～850℃，但保持其他条件不变(与步骤(5)相同)，生长AlN/P型AlGaN超晶格结构，生长周期为2～5个周期，其中，Mg掺杂浓度在10～60s内浓度从5×10¹⁷atom/cm³均匀增加到5×10¹⁸atom/cm³。

(7)生长P型GaN过渡层43：反应腔条件不变(与步骤(6)相同)，生长P型GaN过渡层43。

(8)生长第二超晶格层42：将反应腔温度升至850～900℃(其他条件与步骤(7)相同)，生长P型GaN/P型InN层超晶格结构，生长周期为2～5周期，Mg掺杂浓度由5×10¹⁸atom/cm³均匀增加到2×10²⁰atom/cm³。

(9)生长低温P型InAlGaN层(所用的P型杂质为Mg)501：将温度下降到750～800℃，反应腔压力调节为200～300mbar，通入50000～70000sccm的NH₃，1500～2000sccm的TMGa，100～150L/min的H₂，50～150sccm的TMAl，500～800sccm的TMIn条件下，得到低温P型InAlGaN层；其中，Mg的掺杂浓度在10～60s内浓度从5×10¹⁹atom/cm³增加到1×10²⁰atom/cm³。

(10)生长AlGaN电子阻挡层502：在温度为950～1050℃，反应腔压力为100～200mbar，通入50000～70000sccm的NH₃、800～1500sccm的TMGa，100～150L/min的H₂，100～200sccm的TMAl的条件下，生长AlGaN电子阻挡层。

(11)生长掺杂P型杂质的P型GaN层503(掺杂Mg的P型GaN层)：在温度为950～1000℃，反应腔压力200～500mbar，通入50000～70000sccm的NH₃，1500～2500sccm的TMGa、1000～2000sccm的CP₂Mg条件下生长；其中，Mg掺杂浓度为1×10¹⁹atom/cm³～1×10²⁰atom/cm³。

(12)冷却降温，得到所述LED外延片。

实施例3

本实施例提供的LED外延片参考图8，其包括在蓝宝石衬底1表面依次层叠设置的N型半导体层2、有源层3、耗尽区层4和P型半导体层5。

其中，所述N型半导体层2包括依次层叠设置的低温GaN缓冲层201、非掺杂GaN层202和掺杂N型杂质的N型GaN层(掺杂Si的N型GaN层)203(厚度为3μm)；

所述有源层3为GaN/InGaN超晶格结构层，即由InGaN势阱层和GaN势垒层呈周期性交替生长；

所述耗尽区层4为有源层3的最后势垒层，位于InGaN势阱层或GaN势垒层上。本实施例优选耗尽区层4位于GaN势垒层上，包括依次层叠设置的第一超晶格层41和第二超晶格层42。

其中，第一超晶格层41的厚度为3nm，包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层；第二超晶格层42厚度为10nm，包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层。

所述P型半导体层5包括依次层叠设置的低温P型InAlGaN层(掺杂In和Al的低温P型GaN层)501，AlGaN电子阻挡层502和掺杂P型杂质的P型GaN层(掺杂Mg的P型GaN层)503。

本实施例提供的LED外延片的制备方法与实施例2基本相同，区别在于，不包括步骤(7)(即没有生长P型GaN过渡层43)，而是在得到第一超晶格层41后直接生长第二超晶格层42。其中，生长第一超晶格层41时TMAl的通入流量为50～80sccm。

将耗尽区中AlN层与P型AlGaN层交替层叠形成的第一超晶格结构的势能高于GaN垒层和低温P型AlInGaN层，能更有效地阻挡电子，减少电子溢流。P型掺杂的GaN层与InN层交替层叠形成的第二超晶格结构，其目的是补充耗尽区中空穴的能力损失，提高有源层中空穴的数量，进而提高电子-空穴的复合辐射效率。另外耗尽区中依次设置的AlN层、AlGaN层、GaN层、InN层其电势由高到低逐渐降低，有利于P型层中空穴更容易进入有源层，提高有源层中空穴浓度，进而提高发光二极管的内量子效率。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。

Claims (16)

1.一种LED外延片，其特征在于，包括在衬底表面依次层叠设置的N型半导体层、有源层、耗尽区层和P型半导体层；

其中，所述耗尽区层包括依次层叠设置的第一超晶格层和第二超晶格层；所述第一超晶格层设置在所述有源层的顶端，所述第二超晶格层设置在所述第一超晶格层的顶端；

所述第一超晶格层包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层；

所述第二超晶格层包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层。

2.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一超晶格层和所述第二超晶格层之间还设置有P型GaN过渡层。

3.根据权利要求2所述的LED外延片，其特征在于，所述P型GaN过渡层的厚度为1~2nm。

4.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一超晶格层的交替生长的周期为2~5个周期。

5.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一超晶格层的厚度为3~6nm。

6.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第二超晶格层的交替生长的周期为2~5个周期。

7.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第二超晶格层的厚度为10~15nm。

8.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述第一超晶格层中所用的P型杂质的掺杂浓度为5×10¹⁷~5×10¹⁸atom/cm³；

和/或；

所述第二超晶格层中所用的P型杂质的掺杂浓度为5×10¹⁸~2×10²⁰atom/cm³。

9.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述有源层包括呈周期性交替层叠生长的InGaN势阱层和GaN势垒层；所述耗尽区层为最后一层势垒层，设置在所述InGaN势阱层或所述GaN势垒层的表面。

10.根据权利要求1所述的LED外延片，其特征在于，所述耗尽区层的厚度为5~40nm。

11.如权利要求1~10任一项所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

采用MOCVD法，在衬底的表面依次生长N型半导体层、有源层、耗尽区层和P型半导体层，得到所述LED外延片；

其中，所述耗尽区层包括在所述有源层的表面依次生长的第一超晶格层和第二超晶格层；

所述第一超晶格层包括周期性交替生长的AlN层和P型AlGaN层；

所述第二超晶格层包括周期性交替生长的P型GaN层和P型InN层。

12.根据权利要求11所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第一超晶格层和所述第二超晶格层之间，还包括P型GaN过渡层。

13.根据权利要求12所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述P型GaN过渡层的生长温度为800~850℃，生长压力为200~300mbar。

14.根据权利要求11所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第一超晶格层的生长温度为800~850℃；

和/或，所述第二超晶格层的生长温度为850~900℃。

15.根据权利要求11所述的LED外延片的制备方法，其特征在于，所述第一超晶格层和/或所述第二超晶格层的生长压力为200~300mbar。

16.一种LED芯片，包括如权利要求1~10任一项所述的LED外延片。