CN116154059A - 氮化镓发光二极管外延结构、led及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，具体公开一种氮化镓发光二极管外延结构、LED及其制备方法，包括依次设置的衬底、缓冲层、N型层、多量子阱层及P型层，所述多量子阱层与所述P型层之间设有势垒调配层，所述势垒调配层包括沿外延方向依次沉积的AlaN层、AlbInxGa1‑b‑xN层、In1‑cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层。势垒调配层经多层材料层共同配合，在减少电子溢流的同时，有效增加并加速空穴注入，增强P型层的电导率与空穴注入率，由此有效提升发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种氮化镓发光二极管外延结构、LED及其制备方法。
背景技术
半导体发光二极管具有体积小、坚固耐用、发光波段可控性强、光效高、低热损耗、光衰小、节能、环保等优点，在全色显示、背光源、信号灯、光电计算机互联、短距离通信等领域有着广泛的应用，逐渐成为目前电子电力学领域研究的热点。氮化镓材料具有宽带隙、高电子迁移率、高热导率、高稳定性等一系列优点，因此在高亮度蓝色发光二极管中有着广泛的应用和巨大的市场前景。照明领域对LED提出越来越高的要求，如何提高GaN基LED的发光效率、亮度和降低生产成本是LED行业关注的焦点。
目前，由于GaN基材料固有的极化效应，产生的斯塔克效应会导致多量子阱中能带弯曲，减少了波函数的重合，从而减少了空穴与电子的有效复合效率，另一方面，目前的电子阻挡层虽然阻挡了量子阱中电子溢流，但同时也减少了来自P型GaN层中空穴的注入效率，进一步的减少了发光效率。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种氮化镓发光二极管外延结构、LED及其制备方法，本发明的势垒调配层经AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层多层材料层共同配合，在减少电子溢流的同时，有效增加并加速空穴注入，增强P型层的电导率与空穴注入率，由此有效提升发光效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
首先，作为本发明的目的之一，本发明提供一种氮化镓发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底、缓冲层、N型层、多量子阱层及P型层，所述多量子阱层与所述P型层之间设有势垒调配层，所述势垒调配层包括沿外延方向依次沉积的AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1- cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层。
在一些实施例中，所述势垒调配层中，0＜d＜c＜b＜a＜1，0＜x＜1-c＜1。
在一些实施例中，所述AlaN层、所述AlbInxGa1-b-xN层及所述In1-cAlcN层中，各层中的Al组分含量分别沿外延方向递减，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量沿外延方向递增。
在一些实施例中，所述AlaN层、所述AlbInxGa1-b-xN层、所述In1-cAlcN层及所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，各层之间的Al组分含量递减幅度i为0.01＜i≤0.1；
所述AlaN层、所述AlbInxGa1-b-xN层及所述In1-cAlcN层中，各层中的Al组分含量的递减幅度j为0＜j≤0.01，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量的递增幅度k为0＜k≤0.01。
在一些实施例中，所述AlaN层、所述AlbInxGa1-b-xN层及所述In1-cAlcN层的厚度依次递减，且所述AlaN层的厚度为4nm~5nm，所述AlbInxGa1-b-xN层的厚度为3nm~4nm，所述In1- cAlcN层的厚度为2nm~3nm，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的厚度为2nm~5nm。
在一些实施例中，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的生长气氛为N2。
在一些实施例中，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层包括周期性交替生长的N极性AldGaN子层及N极性MgN子层，生长周期为3个~5个。
在一些实施例中，所述In1-cAlcN层的生长压力高于所述AlbInxGa1-b-xN层的生长压力。
其次，作为本发明的另一目的之一，本发明提供一种氮化镓发光二极管外延结构的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次外延生长缓冲层、N型层、多量子阱层、势垒调配层及P型层；
所述势垒调配层包括沿外延方向依次沉积的AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层。
再者，作为本发明的另一目的之一，本发明提供一种LED，包括上述的氮化镓发光二极管外延结构。
本发明的有益效果在于：
本发明中，在多量子阱层与P型层之间引入由多层材料层组成的势垒调配层，其中，通过AlaN层形成较高的势垒能级，阻挡电子的迁移，并保证势垒调配层具有较好的晶体质量，确保晶格间的适配应力所产生的应力场较小，从而可以提高空穴的有效注入；其次，AlbInxGa1-b-xN层及In1-cAlcN层引入In组分，降低势垒高度，与势垒高度较高的AlaN层相配合，减少电子溢流，降低了漏电通道，同时减少了空穴注入所需要的能量，增加了空穴注入；结合N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层，利用N极性特性，极化电场与外电场方向相同，极化场与外电场共同加速空穴向阱层的注入，载流子注入效率进一步的提高，增加了量子阱层的发光效率，同时，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中的N极性MgN子层由于极化掺杂效应，产生了高浓度的三维空穴气，有效增强了P型层的电导率与空穴注入率，由此，势垒调配层经AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层多层材料层共同配合，在减少电子溢流的同时，有效增加并加速空穴注入，增强P型层的电导率与空穴注入率，由此有效提升发光效率。
附图说明
图1为本发明的氮化镓发光二极管外延结构的结构示意图。
图2为本发明的氮化镓发光二极管外延结构的制备方法的流程图。
图3为本发明的势垒调配层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。
请参阅图1所示，本发明公开一种氮化镓发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底1、缓冲层2、N型层3、多量子阱层4及P型层6，多量子阱层4与P型层6之间设有势垒调配层5，势垒调配层5包括沿外延方向依次沉积的AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52、In1-cAlcN层53及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54。
本发明中，在多量子阱层4与P型层6之间引入由多层材料层组成的势垒调配层5，其中，通过AlaN层51形成较高的势垒能级，阻挡电子的迁移，并保证势垒调配层5具有较好的晶体质量，确保晶格间的适配应力所产生的应力场较小，从而可以提高空穴的有效注入；其次，AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53引入In组分，降低势垒高度，与势垒高度较高的AlaN层51相配合，减少电子溢流，降低了漏电通道，同时减少了空穴注入所需要的能量，增加了空穴注入；结合N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54，利用N极性特性，极化电场与外电场方向相同，极化场与外电场共同加速空穴向阱层的注入，载流子注入效率进一步的提高，增加了量子阱层的发光效率，同时，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54中的N极性MgN子层由于极化掺杂效应，产生了高浓度的三维空穴气，有效增强了P型层6的电导率与空穴注入率，由此，势垒调配层5经AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52、In1-cAlcN层53及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54多层材料层共同配合，在减少电子溢流的同时，有效增加并加速空穴注入，增强P型层6的电导率与空穴注入率，由此有效提升发光效率。
其中，势垒调配层5中，0＜d＜c＜b＜a＜1，0＜x＜1-c＜1，也即，AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52、In1-cAlcN层53及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54中，各层之间的Al组分含量逐层递减，AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53中的In组分含量逐层递增，Al组分含量的降低能有效降低势垒高度，In组分含量的增加有效降低势垒高度，势垒调配层5中，AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52、In1-cAlcN层53及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54各层之间随Al组分含量的层间递减呈现出势垒高度层间递减的趋势，从而减少电子溢流，降低了漏电通道，减少了droop效应，同时减少了空穴注入所需要的能量，增加了空穴注入，减少了工作电压，进一步提升发光效率。
在AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53中，In组分含量逐层递增，结合Al组分含量的逐层递减，AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53的势垒高度逐级递减，同时晶格失配也在逐级递减，减少了缺陷的产生，进一步提升发光效率。
其中，AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53中，各层中的Al组分含量分别沿外延方向递减，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54中，Al组分含量沿外延方向递增，势垒调配层5的Al组分含量沿外延方向整体呈现先下降再小幅度上扬的滑梯状变化趋势，以增加空穴注入，提高空穴注入效率。
其中，所述AlaN层51、所述AlbInxGa1-b-xN层52、所述In1-cAlcN层53及所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54中，各层之间的Al组分含量递减幅度i为0.01＜i≤0.1；
所述AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53中，各层中的Al组分含量的递减幅度j为0＜j≤0.01，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量的递增幅度k为0＜k≤0.01，Al组分含量的变化引发势垒高度的变化，通过控制各层中Al组分含量的递减幅度j/递增幅度k小于Al组分含量的层间递减幅度i，使层间与层中的Al组分含量变化幅度形成差异，使之形成电子陷阱，减缓电子移动，降低Droop效应；此外，使N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中的Al组分含量递增，形成一个下坡趋势，增加空穴移动速度，提高空穴注入效率。
其中，AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53的厚度依次递减，且AlaN层51的厚度为4nm~5nm，AlbInxGa1-b-xN层52的厚度为3nm~4nm，In1-cAlcN层53的厚度为2nm~3nm，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54的厚度为2nm~5nm，由于AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53的厚度依次递减，晶格失配不断的减小，间接释放了应力，可以使层与层之间的界面更平整光滑，减少缺陷的产生，继而减少漏电，进一步提升发光效率。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54的生长气氛为N2，确保生成N极性材料层。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54包括周期性交替生长的N极性AldGaN子层541及N极性MgN子层542，生长周期为3个~5个，示例性的，生成周期为3个、4个或5个，但不限于此，优选地，生长周期为3个，N极性AldGaN子层541与N极性MgN子层542之间的厚度比为1:1。
其中，In1-cAlcN层53的生长压力高于AlbInxGa1-b-xN层52的生长压力，从而有效防止AlbInxGa1-b-xN层52中的In组分在生长In1-cAlcN层53的过程中发生扩散，进一步增加In组分的并入效率，提高In1-cAlcN层的晶体质量，进一步提升外延结构的光电性能。
本发明公开一种氮化镓发光二极管外延结构的制备方法，包括：
S10.提供衬底1：
其中，衬底1可为Si衬底、蓝宝石、SiC衬底或SiO2衬底中的任意一种，具体的，以蓝宝石衬底为例，将蓝宝石衬底1放置于MOCVD反应室里，在1000℃～1150℃温度条件下，采用H2、NH3高温处理蓝宝石衬底14～15分钟,以免蓝宝石衬底1表面发生氧化或表面沾污。
S20.在衬底1上依次外延生长缓冲层2、N型层3、多量子阱层4、势垒调配层5及P型层6；
势垒调配层5包括沿外延方向依次沉积的AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52、In1-cAlcN层53及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54。
其中，步骤S20具体步骤如下：
S21.在衬底1上生长缓冲层2：
缓冲层2为AlN/GaN缓冲层，在衬底1上采用PVD溅射沉积高温AlN二维成核层，随后转入MOCVD反应室中沉积GaN缓冲层2，缓冲层的厚度为10nm~30 nm。
S22.在缓冲层2上生长N型层3：
N型层3为N型GaN层，生长温度为1000℃~1150℃，厚度为2 um~3 um，Si掺杂浓度为1.5×1018cm-3。
S23.在N型层3上生长多量子阱层4：
多量子阱层4包括周期性交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其中InGaN量子阱层的厚度为1nm~4nm，生长温度为780℃～825℃，生长压力为200torr~250torr，周期为8个～10个。GaN量子垒层的厚度为10nm~15nm，生长温度为780℃～820℃，生长压力为200torr~250torr。
S24.在多量子阱层4上生长势垒调配层5：
在多量子阱层4上依次沉积AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52、In1-cAlcN层53及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54，生长温度为750℃~1010℃，生长压力为100torr~600torr；
其中，AlaN层51的厚度为4nm~5nm，AlbInxGa1-b-xN层52的厚度为3nm~4nm，In1-cAlcN层53的厚度为2nm~3nm，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54的厚度为2nm~5nm；
其中，AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53的生长气氛为H2，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54的生长气氛为N2；
生长过程中，控制In1-cAlcN层53的生长压力高于AlbInxGa1-b-xN层52的生长压力；
并控制Al源的通入量，以使势垒调配层5中，各层之间的Al组分含量以小于或等于0.1的幅度逐层递减，AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53中，各层中的Al组分含量以小于或等于0.01的幅度分别沿外延方向递减，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54中，Al组分含量以小于或等于0.01的幅度沿外延方向递增。
S25.在势垒调配层5上生长P型层6：
其中，P型层6包括P型GaN层及P型接触层，P型GaN层的厚度为15nm~30nm，生长温度为900℃~1000℃，反应室压力为200torr~300torr；P型接触层为GaN层，厚度为1nm~6nm，Mg的掺杂浓度为1.0×1019cm-3~3.0×1020cm-3，生长温度为800℃~950℃。
本发明公开一种LED，包括上述的氮化镓发光二极管外延结构。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
参见图1所示，本实施例公开一种氮化镓发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底1、缓冲层2、N型层3、多量子阱层4及P型层6，多量子阱层4与P型层6之间设有势垒调配层5，势垒调配层5包括沿外延方向依次沉积的AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52、In1-cAlcN层53及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54。
其中，势垒调配层5中，0＜d＜c＜b＜a＜1，0＜x＜1-c＜1，各层之间的Al组分含量递减幅度i为0.1，本实施例中，a为由0.7递减至0.69，x为0.2。
其中，AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53中，各层中的Al组分含量分别沿外延方向递减，递减幅度j为0.01，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54中，Al组分含量沿外延方向递增，递增幅度k为0.01。
其中，AlaN层51的厚度为5nm，AlbInxGa1-b-xN层52的厚度为4nm，In1-cAlcN层53的厚度为3nm，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54的厚度为5nm。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54的生长气氛为N2。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54包括周期性交替生长的N极性AldGaN子层及N极性MgN子层，生长周期为3个。
其中，In1-cAlcN层53的生长压力高于AlbInxGa1-b-xN层52的生长压力。
参见图2及图3所示，上述外延结构的制备方法，包括：
S100.提供蓝宝石衬底1；
S200.衬底1上生长缓冲层：
缓冲层2为AlN/GaN缓冲层，在衬底1上采用PVD溅射沉积高温AlN二维成核层，随后转入MOCVD反应室中沉积GaN缓冲层，缓冲层2的厚度为15nm。
S300.在缓冲层2上生长N型层3：
N型层3为N型GaN层，生长温度为1000℃，厚度为2.5um，Si掺杂浓度为1.5×1018cm-3。
S400.在N型层3上生长多量子阱层4：
多量子阱层4包括周期性交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其中InGaN量子阱层的厚度为2.3nm，生长温度为825℃，生长压力为200torr，周期为8个。GaN量子垒层的厚度为12nm，生长温度为7820℃，生长压力为200torr。
参见图3所示，S500.在多量子阱层4上生长势垒调配层5：
S510.在多量子阱层4上沉积AlaN层51，生长温度为950℃，生长压力为200torr，厚度为5nm，生长气氛为H2；
S520.在AlaN层51上沉积AlbInxGa1-b-xN层52，生长温度为900℃，生长压力为200torr，厚度为4nm，生长气氛为H2；
S530.在AlbInxGa1-b-xN层52上沉积In1-cAlcN层53，生长温度为850℃，生长压力为250torr，厚度为3nm，生长气氛为H2；
S540.在In1-cAlcN层53上沉积N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54，生长温度为850℃，生长压力为250torr，厚度为5nm，生长气氛为N2；
生长过程中，控制Al源的通入量，以使势垒调配层5中，各层之间的Al组分含量以0.1的幅度逐层递减，AlaN层51、AlbInxGa1-b-xN层52及In1-cAlcN层53中，各层中的Al组分含量以0.01的幅度分别沿外延方向递减，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层54中，Al组分含量以0.01的幅度沿外延方向递增。
S600.在势垒调配层5上生长P型层6：
其中，P型层6包括P型GaN层及P型接触层，P型GaN层的厚度为15nm，生长温度为900℃，反应室压力为200torr；P型接触层为GaN层，厚度为2nm，Mg的掺杂浓度为3.0×1020cm-3，生长温度为900℃。
实施例2
本实施例公开一种氮化镓发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底、缓冲层、N型层、多量子阱层及P型层，多量子阱层与P型层之间设有势垒调配层，势垒调配层包括沿外延方向依次沉积的AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层。
其中，势垒调配层中，0＜d＜c＜b＜a＜1，0＜x＜1-c＜1，各层之间的Al组分含量递减幅度i为0.05，本实施例中，a为由0.7递减至0.69，x为0.2。
其中，AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层及In1-cAlcN层中，各层中的Al组分含量分别沿外延方向递减，递减幅度j为0.01，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量沿外延方向递增，递增幅度k为0.01。
其中，AlaN层的厚度为4nm，AlbInxGa1-b-xN层的厚度为3nm，In1-cAlcN层的厚度为2nm，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的厚度为2nm。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的生长气氛为N2。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层包括周期性交替生长的N极性AldGaN子层及N极性MgN子层，生长周期为3个。
其中，In1-cAlcN层的生长压力高于AlbInxGa1-b-xN层的生长压力。
上述外延结构的制备方法，包括：
S100.提供蓝宝石衬底；
S200.衬底上生长缓冲层：
缓冲层为AlN/GaN缓冲层，在衬底上采用PVD溅射沉积高温AlN二维成核层，随后转入MOCVD反应室中沉积GaN缓冲层，缓冲层的厚度为15nm。
S300.在缓冲层上生长N型层：
N型层为N型GaN层，生长温度为1000℃，厚度为2.5um，Si掺杂浓度为1.5×1018cm-3。
S400.在N型层上生长多量子阱层：
多量子阱层包括周期性交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其中InGaN量子阱层的厚度为2.3nm，生长温度为825℃，生长压力为200torr，周期为8个。GaN量子垒层的厚度为12nm，生长温度为7820℃，生长压力为200torr。
S500.在多量子阱层上生长势垒调配层：
S510.在多量子阱层上沉积AlaN层，生长温度为950℃，生长压力为200torr，厚度为4nm，生长气氛为H2；
S520.在AlaN层上沉积AlbInxGa1-b-xN层，生长温度为900℃，生长压力为200torr，厚度为3nm，生长气氛为H2；
S530.在AlbInxGa1-b-xN层上沉积In1-cAlcN层，生长温度为850℃，生长压力为250torr，厚度为2nm，生长气氛为H2；
S540.在In1-cAlcN层上沉积N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层，生长温度为850℃，生长压力为250torr，厚度为2nm，生长气氛为N2；
生长过程中，控制Al源的通入量，以使势垒调配层中，各层之间的Al组分含量以0.1的幅度逐层递减，AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层及In1-cAlcN层中，各层中的Al组分含量以0.01的幅度分别沿外延方向递减，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量以0.01的幅度沿外延方向递增。
S600.在势垒调配层上生长P型层：
其中，P型层包括P型GaN层及P型接触层，P型GaN层的厚度为15nm，生长温度为900℃，反应室压力为200torr；P型接触层为GaN层，厚度为2nm，Mg的掺杂浓度为3.0×1020cm-3，生长温度为900℃。
实施例3
本实施例公开一种氮化镓发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底、缓冲层、N型层、多量子阱层及P型层，多量子阱层与P型层之间设有势垒调配层，势垒调配层包括沿外延方向依次沉积的AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层。
其中，势垒调配层中，d＝c＝b＝a＝0.7，x为0.2。
其中，AlaN层的厚度为5nm，AlbInxGa1-b-xN层的厚度为4nm，In1-cAlcN层的厚度为3nm，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的厚度为5nm。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的生长气氛为N2。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层包括周期性交替生长的N极性AldGaN子层及N极性MgN子层，生长周期为3个。
其中，In1-cAlcN层的生长压力高于AlbInxGa1-b-xN层的生长压力。
上述外延结构的制备方法，包括：
S100.提供蓝宝石衬底；
S200.衬底上生长缓冲层：
缓冲层为AlN/GaN缓冲层，在衬底上采用PVD溅射沉积高温AlN二维成核层，随后转入MOCVD反应室中沉积GaN缓冲层，缓冲层的厚度为15nm。
S300.在缓冲层上生长N型层：
N型层为N型GaN层，生长温度为1000℃，厚度为2.5um，Si掺杂浓度为1.5×1018cm-3。
S400.在N型层上生长多量子阱层：
多量子阱层包括周期性交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其中InGaN量子阱层的厚度为2.3nm，生长温度为825℃，生长压力为200torr，周期为8个。GaN量子垒层的厚度为12nm，生长温度为7820℃，生长压力为200torr。
S500.在多量子阱层上生长势垒调配层：
S510.在多量子阱层上沉积AlaN层，生长温度为950℃，生长压力为200torr，厚度为5nm，生长气氛为H2；
S520.在AlaN层上沉积AlbInxGa1-b-xN层，生长温度为900℃，生长压力为200torr，厚度为4nm，生长气氛为H2；
S530.在AlbInxGa1-b-xN层上沉积In1-cAlcN层，生长温度为850℃，生长压力为250torr，厚度为3nm，生长气氛为H2；
S540.在In1-cAlcN层上沉积N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层，生长温度为850℃，生长压力为250torr，厚度为5nm，生长气氛为N2；
S600.在势垒调配层上生长P型层：
其中，P型层包括P型GaN层及P型接触层，P型GaN层的厚度为15nm，生长温度为900℃，反应室压力为200torr；P型接触层为GaN层，厚度为2nm，Mg的掺杂浓度为3.0×1020cm-3，生长温度为900℃。
实施例4
本实施例公开一种氮化镓发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底、缓冲层、N型层、多量子阱层及P型层，多量子阱层与P型层之间设有势垒调配层，势垒调配层包括沿外延方向依次沉积的AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层。
其中，势垒调配层中，0＜d＜c＜b＜a＜1，0＜x＜1-c＜1，各层之间的Al组分含量递减幅度i为0.1，本实施例中，a为由0.7递减至0.6，x为0.2。
其中，AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层及In1-cAlcN层中，各层中的Al组分含量分别沿外延方向递减，递减幅度j为0.1，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量沿外延方向递增，递增幅度k为0.1。
其中，AlaN层的厚度为5nm，AlbInxGa1-b-xN层的厚度为4nm，In1-cAlcN层的厚度为3nm，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的厚度为5nm。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的生长气氛为N2。
其中，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层包括周期性交替生长的N极性AldGaN子层及N极性MgN子层，生长周期为3个。
其中，In1-cAlcN层的生长压力高于AlbInxGa1-b-xN层的生长压力。
上述外延结构的制备方法，包括：
S100.提供蓝宝石衬底；
S200.衬底上生长缓冲层：
缓冲层为AlN/GaN缓冲层，在衬底上采用PVD溅射沉积高温AlN二维成核层，随后转入MOCVD反应室中沉积GaN缓冲层，缓冲层的厚度为15nm。
S300.在缓冲层上生长N型层：
N型层为N型GaN层，生长温度为1000℃，厚度为2.5um，Si掺杂浓度为1.5×1018cm-3。
S400.在N型层上生长多量子阱层：
多量子阱层包括周期性交替生长的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，其中InGaN量子阱层的厚度为2.3nm，生长温度为825℃，生长压力为200torr，周期为8个。GaN量子垒层的厚度为12nm，生长温度为7820℃，生长压力为200torr。
S500.在多量子阱层上生长势垒调配层：
S510.在多量子阱层上沉积AlaN层，生长温度为950℃，生长压力为200torr，厚度为5nm，生长气氛为H2；
S520.在AlaN层上沉积AlbInxGa1-b-xN层，生长温度为900℃，生长压力为200torr，厚度为4nm，生长气氛为H2；
S530.在AlbInxGa1-b-xN层上沉积In1-cAlcN层，生长温度为850℃，生长压力为250torr，厚度为3nm，生长气氛为H2；
S540.在In1-cAlcN层上沉积N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层，生长温度为850℃，生长压力为250torr，厚度为5nm，生长气氛为N2；
生长过程中，控制Al源的通入量，以使势垒调配层中，各层之间的Al组分含量以0.1的幅度逐层递减，AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层及In1-cAlcN层中，各层中的Al组分含量以0.01的幅度分别沿外延方向递减，N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量以0.01的幅度沿外延方向递增。
S600.在势垒调配层上生长P型层：
其中，P型层包括P型GaN层及P型接触层，P型GaN层的厚度为15nm，生长温度为900℃，反应室压力为200torr；P型接触层为GaN层，厚度为2nm，Mg的掺杂浓度为3.0×1020cm-3，生长温度为900℃。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，本对比例的势垒调配层不包括AlaN层，相应的，制备方法中不包括AlaN层的制备步骤。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，本对比例的势垒调配层不包括AlbInxGa1-b- xN层及In1-cAlcN层，相应的，制备方法中不包括AlbInxGa1-b-xN层及In1-cAlcN层的制备步骤。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，本对比例的势垒调配层不包括N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层，相应的，制备方法中不包括N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的制备步骤。
对比例4
本对比例与实施例1的不同之处在于，多量子阱层与P型层之间不设有势垒调配层，而是设置电子阻挡层，该电子阻挡层为P-AlGaN。
测试由实施例1~4及对比例1~4所制得的外延片对应的发光效率，将实施例1~4及对比例1~3所测得的发光效率与对比例4所测得的发光效率相比较，获取实施例1~4及对比例1~3的光效提升率，其中，光效提升率为正值，代表该实验组发光效率高于对比例4，光效提升率为负值，代表该实验组发光效率低于对比例4。
测得的结果如下：
由实验结果可见，本发明的实施例1至4相较于对比例1~3，发光效率提升更明显，AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层多层材料层之间存在协同作用，实施例1优于实施例3及实施例4，表明本发明使层间与层中的Al组分含量变化幅度形成差异的设置，能够显著提升发光效率。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种氮化镓发光二极管外延结构，包括依次设置的衬底、缓冲层、N型层、多量子阱层及P型层，其特征在于，所述多量子阱层与所述P型层之间设有势垒调配层，所述势垒调配层包括沿外延方向依次沉积的AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层。
2.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管外延结构，其特征在于，所述势垒调配层中，0＜d＜c＜b＜a＜1，0＜x＜1-c＜1。
3.根据权利要求2所述的氮化镓发光二极管外延结构，其特征在于，所述AlaN层、所述AlbInxGa1-b-xN层及所述In1-cAlcN层中，各层中的Al组分含量分别沿外延方向递减，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量沿外延方向递增。
4.根据权利要求3所述的氮化镓发光二极管外延结构，其特征在于，所述AlaN层、所述AlbInxGa1-b-xN层、所述In1-cAlcN层及所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，各层之间的Al组分含量递减幅度i为0.01＜i≤0.1；
所述AlaN层、所述AlbInxGa1-b-xN层及所述In1-cAlcN层中，各层中的Al组分含量的递减幅度j为0＜j≤0.01，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层中，Al组分含量的递增幅度k为0＜k≤0.01。
5.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管外延结构，其特征在于，所述AlaN层、所述AlbInxGa1-b-xN层及所述In1-cAlcN层的厚度依次递减，且所述AlaN层的厚度为4nm~5nm，所述AlbInxGa1-b-xN层的厚度为3nm~4nm，所述In1-cAlcN层的厚度为2nm~3nm，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的厚度为2nm~5nm。
6.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管外延结构，其特征在于，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层的生长气氛为N2。
7.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管外延结构，其特征在于，所述N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层包括周期性交替生长的N极性AldGaN子层及N极性MgN子层，生长周期为3个~5个。
8.根据权利要求1所述的氮化镓发光二极管外延结构，其特征在于，所述In1-cAlcN层的生长压力高于所述AlbInxGa1-b-xN层的生长压力。
9.一种氮化镓发光二极管外延结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底上依次外延生长缓冲层、N型层、多量子阱层、势垒调配层及P型层；
所述势垒调配层包括沿外延方向依次沉积的AlaN层、AlbInxGa1-b-xN层、In1-cAlcN层及N极性AldGaN/N极性MgN超晶格层。
10.一种LED，其特征在于，包括根据权利要求1至8任意一项所述的氮化镓发光二极管外延结构。
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