发光二极管外延片及其制备方法

摘要

本公开提供了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管技术领域。在n型GaN层中，间隔插入了多个插入层。多个插入层中的多个第一GaN子层则可以分多次消耗电子，并抵消电子产生速率相对空穴产生速率产生过快的影响。增加进入多量子阱层中空穴的数量。层叠再第一GaN子层上的本征材料制备的第二GaN子层，进一步起到阻挡电子的作用，增加给空穴留出的时间，同时起到提高n型GaN层的质量。最终得到的发光二极管外延片的进入多量子阱层中的空穴数量增加，因此发光二极管外延片的发光效率得到提高，同时发光二极管外延片的质量得到提高，可以进一步提高最终得到的发光二极管的发光效率。

权利要求

1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的n型GaN层、多量子阱层及p型GaN层，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括多个插入层，所述多个插入层依次间隔插设在所述n型GaN层内，每个所述插入层均包括依次层叠的掺Mg的第一GaN子层与本征材料制备的第二GaN子层，所述第一GaN子层的厚度与所述第二GaN子层的厚度之比为2:1～10:1，所述第一GaN子层的厚度为10～60nm，所述第二GaN子层的厚度为5～30nm，相邻的两个所述插入层之间的距离为150～350nm，每两个相邻的所述插入层之间的距离均相同。

2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，每个所述插入层的厚度为15～80nm。

3.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述第一GaN子层中Mg的3

掺杂浓度为1E17～1E18/cm。

4.根据权利要求1或2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述插入层的个数为2～

6。

5.一种发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述发光二极管外延片制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长n型GaN层与多个插入层，所述多个插入层依次间隔插设在所述n型GaN层内，每个所述插入层均包括依次层叠的掺Mg的第一GaN子层与本征材料制备的第二GaN子层，

所述第一GaN子层的厚度与所述第二GaN子层的厚度之比为2:1～10:1，所述第一GaN子层的厚度为10～60nm，所述第二GaN子层的厚度为5～30nm，相邻的两个所述插入层之间的距离为150～350nm，每两个相邻的所述插入层之间的距离均相同；

在所述n型GaN层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长p型GaN层。

6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上生长n型GaN层与多个插入层，包括：向反应腔交替通入所述n型GaN层的生长材料与所述插入层的生长材料，以得到所述n型GaN层及依次间隔插设在所述n型GaN层内的多个插入层。

7.根据权利要求6所述的发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述第一GaN子层的生长速率为2.5～4.5μm/h，所述第二GaN子层的生长速率为3～6μm/h。

说明书

发光二极管外延片及其制备方法

技术领域

[0001] 本公开涉及到了发光二极管技术领域，特别涉及到一种发光二极管外延片及其制备方法。

背景技术

[0002] 发光二极管是一种应用非常广泛的发光器件，常用于通信号灯、汽车内外灯、城市照明和景观照明等，发光二极管外延片则是用于制备发光二极管的基础结构。发光二极管
外延片通常包括衬底及衬底上依次层叠的n型GaN层、多量子阱层及p型GaN层，n型GaN层产
生的电子与p型GaN层产生的空穴在电流作用下进入多量子阱层中进行复合并发光。

[0003] 由于电子的产生效率和迁移率均远远大于空穴，导致进入多量子阱层中的电子数量也会远大于进入多量子阱层中的空穴的数量，电子容易溢出多量子阱层并进入p型GaN层
中，从而与p型GaN层的空穴发生非辐射复合，部分空穴在进入多量子阱层中之前就被电子
消耗，导致进入多量子阱层中的空穴的数量减少，发光二极管发光效率较低。

发明内容

[0004] 本公开实施例提供了一种发光二极管外延片及其制备方法，可以提高进入多量子阱层中空穴的数量以提高最终得到的发光二极管的发光效率。所述技术方案如下：

[0005] 本公开实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括衬底及依次层叠在所述衬底上的n型GaN层、多量子阱层及p型GaN层，所述发光二极管外延片还包
括多个插入层，所述多个插入层依次间隔插设在所述n型GaN层内，每个所述插入层均包括
依次层叠的掺Mg的第一GaN子层与本征材料制备的第二GaN子层。

[0006] 可选地，每个所述插入层的厚度为15～80nm。

[0007] 可选地，所述第一GaN子层的厚度与所述第二GaN子层的厚度之比为2:1～10:1。

[0008] 可选地，所述第一GaN子层中Mg的掺杂浓度为1E17～1E18/cm3。

[0009] 可选地，所述第一GaN子层的厚度为10～60nm，所述第二GaN子层的厚度为5～30nm。

[0010] 可选地，相邻的两个所述插入层之间的距离为150～350nm。

[0011] 可选地，所述插入层的个数为2～6。

[0012] 本公开实施例提供了一种发光二极管外延片制备方法，所述发光二极管外延片制备方法包括：

[0013] 提供一衬底；

[0014] 在所述衬底上生长n型GaN层与多个插入层，所述多个插入层依次间隔插设在所述n型GaN层内，每个所述插入层均包括依次层叠的掺Mg的第一GaN子层与本征材料制备的第
二GaN子层；

[0015] 在所述n型GaN层上生长多量子阱层；

[0016] 在所述多量子阱层上生长p型GaN层。

[0017] 可选地，所述在所述衬底上生长n型GaN层与多个插入层，包括：

[0018] 向反应腔交替通入所述n型GaN层的生长材料与所述插入层的生长材料，以得到所述n型GaN层及依次间隔插设在所述n型GaN层内的多个插入层。

[0019] 可选地，所述第一GaN子层的生长速率为2.5～4.5μm/h，所述第二GaN子层的生长速率为3～6μm/h。

[0020] 本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果包括：

[0021] 在n型GaN层中，间隔插入了多个插入层。每个插入层中的掺Mg的第一GaN子层，可以产生空穴，因此就可以提前和电子发生“非辐射复合”而消耗部分电子，多个插入层中的
多个第一GaN子层则可以分多次消耗电子，并抵消电子产生速率相对空穴产生速率产生过
快的影响。因此p型GaN层中可以具有更多的时间产生空穴，且空穴具有更多的时间迁移至
多量子阱层中，增加进入多量子阱层中空穴的数量。插入层中层叠再第一GaN子层上的本征
材料制备的第二GaN子层，则可以进一步起到阻挡电子的作用，增加给空穴留出的时间，同
时第二GaN子层，还可以起到提高n型GaN层的质量，并减少漏电情况的作用。最终得到的发
光二极管外延片的进入多量子阱层中的空穴数量增加，因此发光二极管外延片的发光效率
得到提高，同时发光二极管外延片的质量得到提高，可以进一步提高最终得到的发光二极
管的发光效率。

附图说明

[0022] 为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。

[0023] 图1是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；

[0024] 图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图；

[0025] 图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图；

[0026] 图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制备方法流程图。

具体实施方式

[0027] 为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

[0028] 除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第
一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分
不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少
一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件
涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者
物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括
电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相
对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

[0029] 图1是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种发光二极管外延片，发光二极管外延片包括衬底1及依次层叠在
衬底1上的n型GaN层2、多量子阱层3及p型GaN层4，发光二极管外延片还包括多个插入层5，
多个插入层5依次间隔插设在n型GaN层2内，每个插入层5均包括依次层叠的掺Mg的第一GaN
子层51与本征材料制备的第二GaN子层52。

[0030] 在n型GaN层2中，间隔插入了多个插入层5。每个插入层5中的掺Mg的第一GaN子层51，可以产生空穴，因此就可以提前和电子发生“非辐射复合”而消耗部分电子，多个插入层
5中的多个第一GaN子层51则可以分多次消耗电子，并抵消电子产生速率相对空穴产生速率
产生过快的影响。因此p型GaN层4中可以具有更多的时间产生空穴，且空穴具有更多的时间
迁移至多量子阱层3中，增加进入多量子阱层3中空穴的数量。插入层5中层叠再第一GaN子
层51上的本征材料制备的第二GaN子层52，则可以进一步起到阻挡电子的作用，增加给空穴
留出的时间，同时第二GaN子层52，还可以起到提高n型GaN层2的质量，并减少漏电情况的作
用。最终得到的发光二极管外延片的进入多量子阱层3中的空穴数量增加，因此发光二极管
外延片的发光效率得到提高，同时发光二极管外延片的质量得到提高，可以进一步提高最
终得到的发光二极管的发光效率。并且多个间隔设置的插入层5的设置，也使得电流可以较
为均匀地流向多量子阱层3，保证最终得到的发光二极管外延片的发光效果。

[0031] 需要说明的是，由于第一GaN子层51种Mg的激活效率较低，所以第一GaN子层51对电子的产生效率和迁移率造成的影响较小，降低了电子从发光区溢出的概率的同时，不会
导致电子的迁移速度小于空穴的迁移速度的情况出现。

[0032] 可选地，每个插入层5的厚度为15～80。

[0033] 每个插入层5的厚度在以上范围内时，插入层5的厚度较为合理，可以实现对n型GaN层2中电子的有效阻挡，且发光二极管外延片的制备成本也不会过高。

[0034] 示例性地，多个插入层5的厚度均可相等。

[0035] 多个插入层5的厚度均相等，可以便于多个插入层5的生长，并保证最终得到的发光二极管外延片的质量较好。

[0036] 可选地，插入层5的个数为2～6。能够得到质量较好的n型GaN层2的同时有效消耗电子。

[0037] 在本公开提供的一种实现方式中，插入层5的个数为2～4。本公开对此不做限制。

[0038] 可选地，相邻的两个插入层5之间的距离为150～350nm。

[0039] 相邻的两个插入层5之间的距离在以上范围内时，n型GaN层2可以稳定地提供电子，插入层5则可以有效控制电子的数量，最终得到的n型GaN层2及多量子阱层3的质量较
好，且发光二极管外延片的发光效率也可以得到大幅提高。

[0040] 示例性地，每两个相邻的插入层5之间的距离均可相同。可以便于n型GaN层2的制备与生长。

[0041] 可选地，插入层5中，第一GaN子层51的厚度与第二GaN子层52的厚度之比为2:1～10:1。

[0042] 第一GaN子层51的厚度与第二GaN子层52的厚度之比在以上范围内时，得到的n型GaN层2的质量较好，且发光二极管外延片的发光效率也较高。

[0043] 示例性地，第一GaN子层51的厚度为10～60nm，第二GaN子层52的厚度为5～30nm。

[0044] 第一GaN子层51的厚度与第二GaN子层52的厚度分别在以上范围内时，得到的n型GaN层2的质量较好，且发光二极管外延片的发光效率也较高。

[0045] 在本公开提供的一种实现方式中，第一GaN子层51的厚度为10～40nm，第二GaN子层52的厚度为5～20nm。本公开对此不做限制。

[0046] 可选地，第一GaN子层51中Mg的掺杂浓度为1E17～1E18/cm3。

[0047] 第一GaN子层51中Mg的掺杂浓度在以上范围内时，得到的第一GaN子层51的质量较好，且也可以有效消耗部分电子，提高最终得到的发光二极管外延片的质量。

[0048] 在本公开提供的一种实现方式中，第一GaN子层51中Mg的掺杂浓度为2E17～8E17/3
cm。本公开对此不做限制。

[0049] 在本公开所提供的一种实现方式中，多个插入层中Mg的掺杂浓度均可以相等。便于控制电子的均匀进入，且n型GaN层整体的质量也较为均匀。

[0050] 在本公开所提供的其他实现方式中，多个插入层中Mg的掺杂浓度，也可以设置为在外延生长方向递增渐变式、递减渐变式、先升高再降低或者先降低再升高等，本公开对此
不做限制。

[0051] 图2是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的结构示意图，参考图2可知，在本公开提供的另一种实现方式中，发光二极管外延片可包括衬底1及生长在衬底1上
的GaN缓冲层6、非掺杂GaN层7、n型GaN层2、多量子阱层3、AlGaN电子阻挡层8、p型GaN层4及p
型接触层9。

[0052] 需要说明的是，图2中所示的插入层5的结构与图1中所示的插入层5的结构分别相同，此处不再赘述。

[0053] 可选地，衬底1可为蓝宝石衬底1。易于制作与获取。

[0054] 可选地，GaN缓冲层6的厚度可为10～30nm。能够减小n型GaN层2与衬底1之间的晶格失配，保证外延层的晶体质量。

[0055] 示例性地，非掺杂GaN层7的厚度可为1～3.5μm。此时得到的发光二极管外延片的质量较好。

[0056] 在本公开提供的一种实现方式中，非掺杂GaN层7的厚度还可为1μm。本公开对此不做限制。

[0057] 可选地，n型GaN层2的掺杂元素可为Si，且Si元素的掺杂浓度可为1×1018～1×19 ‑3
10 cm 。n型GaN层2整体的质量较好。

[0058] 示例性地，n型GaN层2的厚度可为2～3μm。得到的n型GaN层2整体的质量较好。

[0059] 在本公开提供的一种实现方式中，n型GaN层2的厚度可为2μm。本公开对此不做限制。

[0060] 可选地，多量子阱层3可包括交替层叠的InGaN阱层31与GaN垒层32。易于制备与获取。

[0061] 可选地，AlGaN电子阻挡层8中Al组分可为0.15～0.25。阻挡电子的效果较好。

[0062] 可选地，p型GaN层4可掺Mg，p型GaN层4的厚度可与图1中所示结构相同，此处不再赘述。

[0063] 示例性地，p型接触层9的厚度可为15nm。

[0064] 需要说明的是，图2中所示的外延片结构相对图1中所示的外延片结构，在多量子阱层3与p型GaN层4之间增加了电子阻挡层8，在p型GaN层4上还生长有p型接触层9。得到的
外延片的质量及发光效率会更好。

[0065] 图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图3所示，该发光二极管外延片制备方法包括：

[0066] S101：提供一衬底。

[0067] S102：在衬底上生长n型GaN层与多个插入层，多个插入层依次间隔插设在n型GaN层内，每个插入层均包括依次层叠的掺Mg的第一GaN子层与本征材料制备的第二GaN子层。

[0068] S103：在n型GaN层上生长多量子阱层。

[0069] S104：在多量子阱层上生长p型GaN层。

[0070] 在n型GaN层中，间隔插入了多个插入层。每个插入层中的掺Mg的第一GaN子层，可以产生空穴，因此就可以提前和电子发生“非辐射复合”而消耗部分电子，多个插入层中的
多个第一GaN子层则可以分多次消耗电子，并抵消电子产生速率相对空穴产生速率产生过
快的影响。因此p型GaN层中可以具有更多的时间产生空穴，且空穴具有更多的时间迁移至
多量子阱层中，增加进入多量子阱层中空穴的数量。插入层中层叠再第一GaN子层上的本征
材料制备的第二GaN子层，则可以进一步起到阻挡电子的作用，增加给空穴留出的时间，同
时第二GaN子层，还可以起到提高n型GaN层的质量，并减少漏电情况的作用。最终得到的发
光二极管外延片的进入多量子阱层中的空穴数量增加，因此发光二极管外延片的发光效率
得到提高，同时发光二极管外延片的质量得到提高，可以进一步提高最终得到的发光二极
管的发光效率。

[0071] 步骤S102，可包括：

[0072] 向反应腔交替通入n型GaN层的生长材料与插入层的生长材料，以得到n型GaN层及依次间隔插设在n型GaN层内的多个插入层。可以便于实现n性GaN层与多个插入层的生长与
成形。

[0073] 示例性地，向反应腔通入n型GaN层的生长材料的生长温度与生长压力，与向反应腔通入插入层的生长材料的生长温度与生长压力分别相同。可以便于插入层与n型GaN层的
生长，易于控制的同时也可以保证插入层与n型GaN层的质量均较好。

[0074] 可选地，向反应腔通入n型GaN层的生长材料的生长温度与生长压力，可分别为1070～1100℃与100～250torr。能够得到质量较好的n型GaN层。

[0075] 可选地，向反应腔通入n性GaN层的生长材料时，可以向反应腔内通入500～800sccm的Ga源、90～120sccm的Si源与30～60L的氨气。所得到的n型GaN层的质量较好。

[0076] 示例性地，向反应腔通入插入层的生长材料时，可以先向反应腔内通入30～60sccm的Ga源、150～300sccm的Mg源与30～60L的氨气，以得到第一GaN子层；再向反应腔内
通入15～30sccm的Ga源与30～60L的氨气，以得到第二GaN子层。所得到的插入层的质量较
好。

[0077] 可选地，第一GaN子层的生长速率为2.5～4.5μm/h，第二GaN子层的生长速率为3～6μm/h。

[0078] 可以保证最终得到的插入层的质量的同时，提高发光二极管外延片的制备效率。

[0079] 在本公开所提供的其他实现方式中，第一GaN子层的生长速率也可为2.5～4μm/h。本公开对此不做限制。

[0080] 执行完步骤S104之后的发光二极管的外延片结构可参考图1。

[0081] 图4是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图4所示，该发光二极管外延片制备方法包括：

[0082] S201：提供一衬底。

[0083] 其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。

[0084] 可选地，步骤S201还可包括：在氢气气氛下，处理衬底用于生长外延层的表面5～6min。

[0085] 示例性地，处理衬底用于生长外延层的表面时，反应腔的温度可为1000～1100℃，反应腔的压力可为200～500torr。

[0086] S202：在衬底上生长GaN缓冲层。

[0087] 示例性地，GaN缓冲层的生长温度可为530～560℃，压力可为200～500mtorr。得到的GaN缓冲层的质量较好。

[0088] S203：在GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层。

[0089] 非掺杂GaN层的厚度可为0.5～3um。

[0090] 示例性地，非掺杂GaN层的生长温度可为1000～1100℃，生长压力控制在100～300torr。得到的非掺杂GaN层的质量较好。

[0091] S204：在非掺杂GaN层上生长n型GaN层与多个插入层。

[0092] n型GaN层与多个插入层的生长条件可参考图1中所示的步骤S102，因此此处不再赘述。

[0093] S205：在n型GaN层上生长多量子阱层。

[0094] 多量子阱层可以包括交替生长的InGaN阱层和GaN垒层。反应室压力控制在200torr。生长InGaN阱层时，反应室温度为760～780℃。生长GaN垒层时，反应室温度为860
～890℃。得到的多量子阱层的质量较好。

[0095] S206：在多量子阱层上生长AlGaN电子阻挡层。

[0096] AlGaN电子阻挡层的生长温度可为800～1000℃，AlGaN电子阻挡层的生长压力可为100～300Torr。在此条件下生长得到的AlGaN电子阻挡层的质量较好，有利于提高发光二
极管的发光效率。

[0097] S207：在AlGaN电子阻挡层上生长p型GaN层。

[0098] 可选地，p型GaN层的生长压力可为200～600Torr，p型GaN层的生长温度可为800～1000℃。

[0099] S208：在p型GaN层上生长p型接触层。

[0100] 可选地，p型接触层的生长压力可为100～300Torr，p型接触层的生长温度可为800～1000℃。

[0101] 需要说明的是，图4中所示的发光二极管外延片的制备方法，相对图3中所示的发光二极管的制备方法，提供了一种更为详细的发光二极管外延片的生长方式。

[0102] 执行完步骤S208后的发光二极管外延片的结构可参见图2。

[0103] 需要说明的是，在本公开实施例中，采用VeecoK 465i or C4 or RB MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现发光二极
管的生长方法。采用高纯H2(氢气)或高纯N2(氮气)或高纯H2和高纯N2的混合气体作为载气，
高纯NH3作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，
硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂。

[0104] 以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围
内，当可利用上述揭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，均仍属于本发明技术方案的范围内。