CN114695610A - 一种GaN基LED外延片、外延生长方法及LED芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GaN基LED外延片、外延生长方法及LED芯片，外延片包括依次沉积第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层而成的量子阱层，其中，前两个子层为GaN层，其余子层为InGaN层，在生长第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层的过程中，掺杂Si，且第一量子阱子层和第二量子阱子层中的Si掺杂浓度均高于所述第三量子阱子层中的Si掺杂浓度，其中，掺杂Si可以降低量子阱极化电场作用，提高电子和空穴波函数的交叠，进而提升辐射复合效率，达到提升发光二极管的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，特别涉及一种GaN基LED外延片、外延生长方法及LED芯片。
背景技术
近年来，随着光效的快速提升，GaN基LED已在通用照明、显示等领域得到广泛应用。如何进一步提高LED的发光效率，仍是LED行业的关注热点。
在GaN势垒上生长InGaN量子阱时，根据理论计算和实验测量，InGaN阱层的极化电场可以高达MV/cm，导致量子阱区能带倾斜，那么，当电子和空穴经过量子阱区时，会造成严重的空间分离，产生所谓的量子限制斯塔克效应（QCSE）。载流子的空间分离，导致在量子阱中波函数交叠减少，辐射复合降低，严重降低了LED器件的发光效率。通常设置InGaN量子阱层的厚度在3nm左右，以防电子和空穴的波函数在整个多量子阱有源区中都被分离。另外一种降低InGaN量子阱层极化电场的办法是在非极性/半极性面上生长InGaN材料，从而避免界面电荷对载流子造成分离。这种方法尽管可以从源头上消除极化效应，但是目前很难在非极性/半极性面上获得高质量的外延层，且外延生长和芯片制造需要额外的工艺。目前，非极性/半极性衬底的GaN基LED的研究还停留在实验室阶段，未被广泛的商业化使用。
其中，InGaN量子阱中较高的In组分会使得与GaN垒之间的晶格失配增大，导致InGaN量子阱中存在巨大的压电场，使量子阱的极化效应增大，量子阱区能带倾斜，电子和空穴经过量子阱区时会造成严重的空间分离，从而产生量子限制斯塔克效应（QCSE）。量子限制斯塔克效应减少了量子阱中电子和空穴波函数之间的耦合度，从而降低发光二极管内量子效率，降低了发光二极管的发光效率。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种GaN基LED外延片、外延生长方法及LED芯片，目的在于降低量子阱的极化效应，提高发光二极管的内量子效率，从而提升发光二极管的发光效率。
根据本发明实施例当中的一种GaN基LED外延片，有源层包括依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层；
其中，所述第一量子阱子层和所述第二量子阱子层均为GaN层，所述第三量子阱子层、所述第四量子阱子层以及所述第五量子阱子层均为InGaN层，在生长所述第一量子阱子层、所述第二量子阱子层以及所述第三量子阱子层的过程中，掺杂Si，且所述第一量子阱子层和第二量子阱子层中的Si 掺杂浓度均高于所述第三量子阱子层中的 Si 掺杂浓度。
优选地，所述第一量子阱子层和第二量子阱子层中的Si 掺杂浓度均为所述第三量子阱子层中的 Si 掺杂浓度的1倍~5倍。
优选地，所述有源层的厚度为2nm~5nm，且所述第一量子阱子层、所述第二量子阱子层、所述第三量子阱子层、所述第四量子阱子层以及所述第五量子阱子层的厚度比范围为1~2:1:1:4~8:1~2。
优选地，所述第一量子阱子层中的Si掺杂浓度为2.5E16 atoms/cm3~1.25E18atoms/cm3，所述第二量子阱子层中的Si掺杂浓度为2.5E16 atoms/cm3~1.25E18atoms/cm3，所述第三量子阱子层中的Si掺杂浓度为2.5E16 atoms/cm3~2.5E17atoms/cm3。
优选地，所述第三量子阱子层中In组分为0.01~0.5，且控制In组分由低到高渐变，所述第四量子阱子层和所述第五量子阱子层中In组分均为0.05~0.5。
根据本发明实施例当中的一种LED外延片的外延生长方法，用于制备上述的GaN基LED外延片，所述外延生长方法包括：
提供一生长所需的衬底；
在所述衬底上依次外延生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层；
在所述N型GaN层上交替生长预设周期个数的量子阱层和量子垒层以形成有源层；
在最后一个量子垒层上依次生长电子阻挡层和P型GaN层；
其中，依次生长第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层以形成所述量子阱层，所述第一量子阱子层和所述第二量子阱子层为GaN层，所述第三量子阱子层、所述第四量子阱子层以及所述第五量子阱子层为InGaN层。
优选地，所述量子阱层的生长压力为50 torr~500 torr，在生长所述第一量子阱子层的过程中，控制生长温度为第一温度，在生长所述第二量子阱子层的过程中，控制生长温度由所述第一温度逐渐降低20℃~50℃，至第二温度，在生长所述第三量子阱子层的过程中，控制生长温度由所述第二温度逐渐降低20℃~50℃，至第三温度，其中，所述第一温度为820℃~880℃；
在生长所述第四量子阱子层的过程中，控制生长温度为第四温度，在生长所述第五量子阱子层的过程中，控制生长温度由所述第四温度逐渐上升50℃~100℃，至第五温度，其中，所述第四温度为750℃~830℃。
优选地，所述量子垒层的生长温度为800℃~900℃，生长压力为100 torr~500torr。
优选地，所述量子阱层在生长过程中，只通入N2和NH3，其中，控制通入所述N2与所述NH3的比例为1:1~2。
根据本发明实施例当中的一种LED芯片，包括上述的GaN基LED外延片。
与现有技术相比：量子阱层包括依次沉积的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，其中，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，在生长所述第一量子阱子层、所述第二量子阱子层以及所述第三量子阱子层的过程中，掺杂Si，且所述第一量子阱子层和第二量子阱子层中的Si 掺杂浓度均高于所述第三量子阱子层中的Si 掺杂浓度，其中，掺杂Si可以降低量子阱极化电场作用，提高电子和空穴波函数的交叠，而在靠近第四量子阱子层的第三量子阱子层中的 Si 掺杂浓度偏低，可以减少Si通过原子迁移至第四量子阱子层，减少第四量子阱子层的非辐射复合，进而提升辐射复合效率，达到提升发光二极管的发光效率。
附图说明
图1为本发明实施例一当中的GaN基LED外延片的结构示意图；
图2为本发明实施例一当中的有源层的结构示意图；
图3为本发明实施例二当中的GaN基LED外延片的外延生长方法的流程图。
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的实施例的目的，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。
实施例一
请参阅图1和图2，图1所示为本发明实施例一中的GaN基LED外延片，图2所示为有源层的结构示意图，GaN基LED外延片包括蓝宝石衬底10、以及在蓝宝石衬底10上依次外延生长的缓冲层20、非掺杂GaN层30、N型GaN层40、有源层50、电子阻挡层60和P型GaN层70。
其中，有源层50包括依次交替堆叠的量子阱层（图未示）和量子垒层506，量子阱层包括依次沉积的第一量子阱子层501、第二量子阱子层502、第三量子阱子层503、第四量子阱子层504以及第五量子阱子层505，单层量子阱层的厚度为2nm~5nm，具体的，第一量子阱子层501和第二量子阱子层502为GaN层，第三量子阱子层503、第四量子阱子层504以及第五量子阱子层505为InGaN层，第一量子阱子层501、第二量子阱子层502、第三量子阱子层503、第四量子阱子层504以及第五量子阱子层505的厚度比范围为1:1:1:4:1至2:1:1:8:2。
示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，缓冲层20的厚度为10nm～50nm，例如为12nm、14nm、16nm等；非掺杂GaN层30的厚度为1μm～5μm，例如为2.2um、2.4um、2.6um等；N型GaN层40的厚度为2um～3um，例如为2.2um、2.4um、2.6um等；有源层50的厚度为55nm～255nm，例如为100nm、120nm、140nm等；电子阻挡层60的厚度为10nm～40nm，例如为15nm、20nm、35nm等；P型GaN层70的厚度为10nm～50nm，例如为15nm、20nm、25nm等。
具体的，有源层50中的量子垒层506为AlGaN层，示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，单层量子阱层的厚度为2nm~5nm，例如为2.5nm、3nm、3.5nm等；单层AlGaN层的厚度为9nm~12nm，例如为9.5nm、10nm、11nm等，其中，有源层50中量子阱层与量子垒层506的堆叠周期数为5个～15个，例如为9个，即量子阱层和量子垒层506分别有9层。
实施例二
请参阅图3，所示为本发明实施例二提出的一种GaN基LED外延片的外延生长方法，所述方法具体包括步骤S201至步骤S208，其中：
步骤S201，提供一生长所需的衬底。
其中，衬底可选用蓝宝石衬底、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。
具体的，衬底选用蓝宝石衬底，因为蓝宝石衬底具有制备工艺成熟、价格较低、易于清洗和处理，高温下具有很好的稳定性。
在本实施例当中，采用中微A7 MOCVD(Metal-organic Chemical VaporDeposition金属有机气相沉积，简称MOCVD)设备，高纯H2 (氢气)、高纯N2(氮气)、高纯H2和高纯N2的混合气体中的一种作为载气，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，三甲基铝(TMAl)作为铝源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂进行外延生长。
步骤S202，生长缓冲层，其生长厚度为10nm～50nm。
需要说明的是，缓冲层的材料可为AlN或GaN，在本实施例当中，选用在应用材料PVD中沉积AlN缓冲层，其厚度为15 nm，采用AlN缓冲层控制晶体缺陷，改善后续生长晶体的质量，缓解衬底与外延层之间由于晶格失配和热失配引起的应力。
步骤S203，对已沉积缓冲层的蓝宝石衬底进行预处理。
具体的，将已镀完AlN缓冲层的蓝宝石衬底转入MOCVD设备中，在H2气氛进行预处理1min~10min，处理温度为1000℃～1200℃，再对蓝宝石衬底进行氮化处理，提升AlN缓冲层的晶体质量，并且可以有效提高后沉积GaN外延层的晶体质量。
步骤S204，生长非掺杂GaN层，其生长厚度为1μm～5μm。
具体的，非掺杂GaN层的生长温度为1050℃~1200℃，生长压力为100torr~600torr，在本实施例当中，非掺杂GaN层的生长温度1100℃，生长压力150 torr，生长厚度2μm ~3μm，在此厚度下，不仅GaN晶体质量较优，而且节省了Ga源，节约了生产成本。
步骤S205，生长N型GaN层，其生长厚度为2um～3um。
具体的，N型GaN层的生长温度为1050℃~1200℃，生长压力为100torr~600torr，其中，在生长过程中掺杂Si，Si掺杂浓度为1E19 atoms/cm3~5E19 atoms/cm3，保证了N型GaN晶体质量及N型GaN层的面电阻，在本实施例当中，N型GaN层生长温度为1120℃，生长压力100torr，Si掺杂浓度为2.5E19 atoms/cm3，在此条件下生长的N型GaN界面电阻在12 Ω•cm2，和P型层与ITO接触阻值相当，有利于降低电流集聚效应，提高发光二极管的光电效率。
步骤S206，生长有源层，其生长厚度为55nm～255nm。
其中，有源层包括依次交替生长的量子阱层和量子垒层，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，其中，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，量子垒层为AlGaN层。
在生长第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层的过程中，掺杂Si，其中，控制第一量子阱子层和第二量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为第一掺杂浓度，控制第三量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为第二掺杂浓度，第一掺杂浓度为第二掺杂浓度的1倍~5倍，具体的，第一掺杂浓度为2.5E16 atoms/cm3~1.25E18atoms/cm3，第二掺杂浓度为2.5E16 atoms/cm3~2.5E17 atoms/cm3。
需要说明的是，第三量子阱子层中In组分为0.01~0.5，第四量子阱子层和第五量子阱子层中In组分为0.05~0.5，其中，第三量子阱子层在生长过程中，控制In组分由低到高渐变。
具体的，量子阱层的生长压力为50~500 torr，且在量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，控制通入所述气氛N2和NH3的比例为1:1~1:2，其中，量子阱层低压生长，可以提高原子迁移率，使In原子掺杂均匀，减少In团簇，而生长较高浓度的气氛NH3，而不通气氛H2，可以提高InGaN层的晶体质量，减少InGaN分解，从而在一方面达到降低量子阱极化效应的效果，另外，在生长第一量子阱子层的过程中，控制生长温度为第一温度，在生长第二量子阱子层的过程中，控制生长温度由第一温度逐渐降低20℃~50℃，至第二温度，在生长第三量子阱子层的过程中，控制生长温度由第二温度逐渐降低20℃~50℃，至第三温度，其中，第一温度为820℃~880℃。
在生长第四量子阱子层的过程中，控制生长温度为第四温度，在生长第五量子阱子层的过程中，控制生长温度由第四温度逐渐上升50℃~100℃，至第五温度，其中，第四温度为750℃~830℃。
可以理解的，由于第一量子阱子层生长温度较高，第二量子阱子层的生长温度在第一量子阱子层生长温度的基础上下降，由于第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层和第四量子阱子层为InGaN层，再在生长第三量子阱子层的过程中，控制生长温度及In组分的渐变，完成从第三量子阱子层到第四量子阱子层的过渡，从而减少量子阱层InGaN的晶格失配，保证量子阱层InGaN晶体质量，减少非辐射复合效率，从而在另一方面达到降低量子阱极化效应的效果。
当量子阱层生长结束后，在生长量子垒层的过程中，控制量子垒层的生长温度为800℃~900℃，生长压力为100 torr ~500 torr，Al组分浓度0.01~0.2。
步骤S207，生长电子阻挡层，其生长厚度为10nm～40nm。
其中，电子阻挡层为AlxInyGa1-x-yN层，生长温度为900℃~1000℃，生长压力100torr~300torr，其中，Al组分为0.005<x<0.1，In组分浓度为0.05<y<0.2。
具体地，电子阻挡层为Al0.05In0.1Ga0.85N层，该层厚度为15nm，生长温度为965℃，生长压力为200torr，既可以有效地限制电子溢流，也可以减少对空穴的阻挡。
步骤S208，生长P型GaN层，其生长厚度为10nm～50nm。
其中，P型GaN层生长温度为900℃~1050℃，生长压力为100torr~600torr，Mg掺杂浓度为1E19 atoms/cm3~1E21 atoms/cm3。
具体的，P型GaN层的生长温度为985℃，厚度为15nm，生长压力为200torr，Mg掺杂浓度为2E20 atoms/cm3。
综上，本发明实施例当中的LED外延片的外延生长方法，通过在衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，有源层包括依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，量子阱层包括依次沉积的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，其中，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，具体的，由于在量子阱层的生长过程中，只通入气氛N2/NH3，且在低压下生长，可以提高InGaN层的晶体质量，另外，InGaN层在生长过程中生长温度及In组分的渐变，进一步保证量子阱层InGaN晶体质量，从而提升了辐射复合效率，实现了发光二极管发光效率的提升。
实施例三
在本实施例当中，在蓝宝石衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，有源层为依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，堆叠周期数为10个，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，需要说明的是，量子阱层的厚度为3.5 nm，第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层的厚度比为1.5:1:1:4:1。
具体的，控制第一量子阱子层和第二量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为5E17 atoms/cm3, 控制第三量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为2.5E17 atoms/cm3，另外，控制第三量子阱子层生长过程中，In组分由0.05渐变至0.25，第四量子阱子层中In组分为0.25，第五量子阱子层中In组分为0.25。
需要说明的是，量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，其中，控制通入所述气氛N2与NH3的比例为1:1.5，生长压力为200torr，更为具体的，控制第一量子阱子层的生产温度为850℃，控制第二量子阱层的生长温度由第一量子阱子层生长温度逐渐下降40℃,至810℃，控制第三量子阱层的生长温度再由第二量子阱层生长温度逐渐下降15℃，至795℃，再控制第四量子阱层的生长温度为795℃，控制第五量子阱层的生长温度由第四量子阱层生长温度逐渐上升75℃，至870℃。量子垒层为AlGaN层，生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。
本实施例制备得到的芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，光电效率提升1.5%，其他项电学性能良好。
实施例四
在本实施例当中，在蓝宝石衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，有源层为依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，堆叠周期数为10个，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，需要说明的是，量子阱层的厚度为3.5 nm，第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层的厚度比为1.5:1:1:4:1。
具体的，控制第一量子阱子层和第二量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为5E17 atoms/cm3, 控制第三量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为1E17 atoms/cm3，另外，控制第三量子阱子层生长过程中，In组分由0.05渐变至0.25，第四量子阱子层中In组分为0.25，第五量子阱子层中In组分为0.25。
需要说明的是，量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，其中，控制通入所述气氛N2与NH3的比例为1:1.5，生长压力为200torr，更为具体的，控制第一量子阱子层的生产温度为850℃，控制第二量子阱层的生长温度由第一量子阱子层生长温度逐渐下降40℃,至810℃，控制第三量子阱层的生长温度再由第二量子阱层生长温度逐渐下降15℃，至795℃，再控制第四量子阱层的生长温度为795℃，控制第五量子阱层的生长温度由第四量子阱层生长温度逐渐上升75℃，至870℃。量子垒层为AlGaN层，生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。
本实施例制备得到的芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，光电效率提升0.5%，其他项电学性能良好。
实施例五
在本实施例当中，在蓝宝石衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，有源层为依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，堆叠周期数为10个，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，需要说明的是，量子阱层的厚度为3.5 nm，第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层的厚度比为1.5:1:1:4:1。
具体的，控制第一量子阱子层和第二量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为1E17 atoms/cm3, 控制第三量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为2.5E16 atoms/cm3，另外，控制第三量子阱子层生长过程中，In组分由0.05渐变至0.25，第四量子阱子层中In组分为0.25，第五量子阱子层中In组分为0.25。
需要说明的是，量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，其中，控制通入所述气氛N2与NH3的比例为1:1.5，生长压力为200torr，更为具体的，控制第一量子阱子层的生产温度为850℃，控制第二量子阱层的生长温度由第一量子阱子层生长温度逐渐下降40℃,至810℃，控制第三量子阱层的生长温度再由第二量子阱层生长温度逐渐下降15℃，至795℃，再控制第四量子阱层的生长温度为795℃，控制第五量子阱层的生长温度由第四量子阱层生长温度逐渐上升75℃，至870℃。量子垒层为AlGaN层，生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。
本实施例制备得到的芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，光电效率提升1%，其他项电学性能良好。
实施例六
在本实施例当中，在蓝宝石衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，有源层为依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，堆叠周期数为10个，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，需要说明的是，量子阱层的厚度为3.2 nm，第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层的厚度比为1.5:1:1:4:1。
具体的，控制第一量子阱子层和第二量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为5E17 atoms/cm3, 控制第三量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为2.5E17 atoms/cm3，另外，控制第三量子阱子层生长过程中，In组分由0.05渐变至0.25，第四量子阱子层中In组分为0.25，第五量子阱子层中In组分为0.25。
需要说明的是，量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，其中，控制通入所述气氛N2与NH3的比例为1:1.5，生长压力为200torr，更为具体的，控制第一量子阱子层的生产温度为845℃，控制第二量子阱层的生长温度由第一量子阱子层生长温度逐渐下降30℃,至815℃，控制第三量子阱层的生长温度再由第二量子阱层生长温度逐渐下降20℃，至795℃，再控制第四量子阱层的生长温度为795℃，控制第五量子阱层的生长温度由第四量子阱层生长温度逐渐上升75℃，至870℃。量子垒层为AlGaN层，生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。
本实施例制备得到的芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，光电效率提升0.8%，其他项电学性能良好。
实施例七
在本实施例当中，在蓝宝石衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，有源层为依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，堆叠周期数为10个，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，需要说明的是，量子阱层的厚度为3.5 nm，第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层的厚度比为1:1:1:4:1。
具体的，控制第一量子阱子层和第二量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为5E17 atoms/cm3, 控制第三量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为2.5E17 atoms/cm3，另外，控制第三量子阱子层生长过程中，In组分由0.05渐变至0.25，第四量子阱子层中In组分为0.25，第五量子阱子层中In组分为0.25。
需要说明的是，量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，其中，控制通入所述气氛N2与NH3的比例为1:1.5，生长压力为200torr，更为具体的，控制第一量子阱子层的生产温度为845℃，控制第二量子阱层的生长温度由第一量子阱子层生长温度逐渐下降30℃,至815℃，控制第三量子阱层的生长温度再由第二量子阱层生长温度逐渐下降20℃，至795℃，再控制第四量子阱层的生长温度为795℃，控制第五量子阱层的生长温度由第四量子阱层生长温度逐渐上升75℃，至870℃。量子垒层为AlGaN层，生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。
本实施例制备得到的芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，光电效率提升1.2%，其他项电学性能良好。
实施例八
在本实施例当中，在蓝宝石衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，有源层为依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，堆叠周期数为10个，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，需要说明的是，量子阱层的厚度为3.5 nm，第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层的厚度比为2:1:1:8:2。
具体的，控制第一量子阱子层和第二量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为5E17 atoms/cm3, 控制第三量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为2.5E17 atoms/cm3，另外，控制第三量子阱子层生长过程中，In组分由0.05渐变至0.25，第四量子阱子层中In组分为0.25，第五量子阱子层中In组分为0.25。
需要说明的是，量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，其中，控制通入所述气氛N2与NH3的比例为1:1.5，生长压力为200torr，更为具体的，控制第一量子阱子层的生产温度为845℃，控制第二量子阱层的生长温度由第一量子阱子层生长温度逐渐下降30℃,至815℃，控制第三量子阱层的生长温度再由第二量子阱层生长温度逐渐下降20℃，至795℃，再控制第四量子阱层的生长温度为795℃，控制第五量子阱层的生长温度由第四量子阱层生长温度逐渐上升75℃，至870℃。量子垒层为AlGaN层，生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。
本实施例制备得到的芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，光电效率提升0.5%，其他项电学性能良好。
实施例九
在本实施例当中，在蓝宝石衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，有源层为依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，堆叠周期数为10个，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，需要说明的是，量子阱层的厚度为3.5 nm，第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层的厚度比为1.5:1:1:4:1。
具体的，控制第一量子阱子层和第二量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为5E17 atoms/cm3, 控制第三量子阱子层在生长过程中的掺杂Si的浓度为2.5E17 atoms/cm3，另外，控制第三量子阱子层生长过程中，In组分由0.1渐变至0.25，第四量子阱子层中In组分为0.25，第五量子阱子层中In组分为0.25。
需要说明的是，量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，其中，控制通入所述气氛N2与NH3的比例为1:1.5，生长压力为200torr，更为具体的，控制第一量子阱子层的生产温度为845℃，控制第二量子阱层的生长温度由第一量子阱子层生长温度逐渐下降30℃,至815℃，控制第三量子阱层的生长温度再由第二量子阱层生长温度逐渐下降20℃，至795℃，再控制第四量子阱层的生长温度为795℃，控制第五量子阱层的生长温度由第四量子阱层生长温度逐渐上升75℃，至870℃。量子垒层为AlGaN层，生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。
本实施例制备得到的芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，光电效率提升1%，其他项电学性能良好。
实施例十
在本实施例当中，在蓝宝石衬底上依次沉积的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、有源层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，有源层为依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，堆叠周期数为10个，量子阱层包括依次生长的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层，第一量子阱子层和第二量子阱子层为GaN层，第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层为InGaN层，需要说明的是，量子阱层的厚度为3.5 nm，第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层的厚度比为1.5:1:1:4:1。
具体的，控制第一量子阱子层、第二量子阱子层以及第三量子阱子层在生长过程中不掺杂Si，另外，控制第三量子阱子层生长过程中，In组分由0.05渐变至0.25，第四量子阱子层中In组分为0.25，第五量子阱子层中In组分为0.25。
需要说明的是，量子阱层在生长过程中，只通入气氛N2和NH3，其中，控制通入所述气氛N2与NH3的比例为1:1.5，生长压力为200torr，更为具体的，控制第一量子阱子层的生产温度为850℃，控制第二量子阱层的生长温度由第一量子阱子层生长温度逐渐下降40℃,至810℃，控制第三量子阱层的生长温度再由第二量子阱层生长温度逐渐下降15℃，至795℃，再控制第四量子阱层的生长温度为795℃，控制第五量子阱层的生长温度由第四量子阱层生长温度逐渐上升75℃，至870℃。量子垒层为AlGaN层，生长温度为855℃，厚度为9.8nm，生长压力为200torr，Al组分为0.05。
本实施例制备得到的芯片，在120 mA/ 60 mA电流下测试，光电效率无提升。
分别对现有技术中的GaN基LED芯片的光电效率与本发明提出的GaN基LED芯片的光电效率进行比较，具体如表1所示：
表1
从表中可以看出，通过本发明提出的GaN基LED芯片与现有技术中GaN基LED芯片的光电效率相比，具有较大提升。
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 (10)
1.一种GaN基LED外延片，其特征在于，有源层包括依次交替堆叠的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层包括依次沉积的第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层；
其中，所述第一量子阱子层和所述第二量子阱子层均为GaN层，所述第三量子阱子层、所述第四量子阱子层以及所述第五量子阱子层均为InGaN层，在生长所述第一量子阱子层、所述第二量子阱子层以及所述第三量子阱子层的过程中均掺杂Si，且所述第一量子阱子层和第二量子阱子层中的Si 掺杂浓度均高于所述第三量子阱子层中的 Si 掺杂浓度。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述第一量子阱子层和第二量子阱子层中的Si 掺杂浓度均为所述第三量子阱子层中的 Si 掺杂浓度的1倍~5倍。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述有源层的厚度为2nm~5nm，且所述第一量子阱子层、所述第二量子阱子层、所述第三量子阱子层、所述第四量子阱子层以及所述第五量子阱子层的厚度比范围为1~2:1:1:4~8:1~2。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述第一量子阱子层中的Si掺杂浓度为2.5E16 atoms/cm3~1.25E18atoms/cm3, 所述第二量子阱子层中的Si掺杂浓度为2.5E16 atoms/cm3~1.25E18atoms/cm3，所述第三量子阱子层中的Si掺杂浓度为2.5E16atoms/cm3~2.5E17 atoms/cm3。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED外延片，其特征在于，所述第三量子阱子层中In组分为0.01~0.5，且控制In组分由低到高渐变，所述第四量子阱子层和所述第五量子阱子层中In组分均为0.05~0.5。
6.一种LED外延片的外延生长方法，其特征在于，用于制备权利要求1-5任一项所述的GaN基LED外延片，所述外延生长方法包括：
提供一生长所需的衬底；
在所述衬底上依次外延生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层；
在所述N型GaN层上交替生长预设周期个数的量子阱层和量子垒层以形成有源层；
在最后一个量子垒层上依次生长电子阻挡层和P型GaN层；
其中，依次生长第一量子阱子层、第二量子阱子层、第三量子阱子层、第四量子阱子层以及第五量子阱子层以形成所述量子阱层，所述第一量子阱子层和所述第二量子阱子层为GaN层，所述第三量子阱子层、所述第四量子阱子层以及所述第五量子阱子层为InGaN层。
7.根据权利要求6所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述量子阱层的生长压力为50 torr~500 torr，在生长所述第一量子阱子层的过程中，控制生长温度为第一温度，在生长所述第二量子阱子层的过程中，控制生长温度由所述第一温度逐渐降低20℃~50℃，至第二温度，在生长所述第三量子阱子层的过程中，控制生长温度由所述第二温度逐渐降低20℃~50℃，至第三温度，其中，所述第一温度为820℃~880℃；
在生长所述第四量子阱子层的过程中，控制生长温度为第四温度，在生长所述第五量子阱子层的过程中，控制生长温度由所述第四温度逐渐上升50℃~100℃，至第五温度，其中，所述第四温度为750℃~830℃。
8.根据权利要求6所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述量子垒层的生长温度为800℃~900℃，生长压力为100 torr~500 torr。
9.根据权利要求6所述的LED外延片的外延生长方法，其特征在于，所述量子阱层在生长过程中，只通入N2和NH3，其中，控制通入所述N2与所述NH3的比例为1:1~2。
10.一种LED芯片，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的GaN基LED外延片。
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