發光二極管外延片及其制造方法與流程
本發明涉及半導體技術領域，具體地，涉及一種發光二極管外延片及其制造方法。
背景技術：
發光二極管(LED)是一種能將電信號轉換成光信號的結型電致發光半導體器件。LED外延片是LED內部的晶片生產的原材料，它是在襯底上通過化學氣相沉積技術生長出來的一層薄膜，之后在外延片上注入基區和發射區，再通過切割等工藝，就可以形成LED晶片。
以氮化鎵(GaN)基LED為例，氮化鎵(GaN)基發光二極管作為固態光源以其高效率、長壽命、環保等優點成為國際半導體和照明領域研發與產業關注的焦點。這些年來，氮化鎵基LED的迅速發展，白光LED的效率有了很大的提高。但其效率相對理論值還有很大的提升空間。而長久以來限制白光LED效率提高的因素也很多。其中受廣大學者關注的一個問題就是氮化銦鎵(InGaN)的壓電極化效應。
InGaN的極化導致在量子阱和量子壘界面處存在一定密度的面電荷，在阱和壘中形成極化電場。極化電場導致量子阱中能帶彎曲，能帶在p型一側偏低，在n型一側被抬高，因此實際能帶在量子阱中呈三角形。電子向p型一側聚集，而空穴則向相反方向n型一側聚集，即在空間上被分離，導致電子和空穴波函數的重疊積分減小，復合效率降低，降低了LED的發光效率。此外，極化電場導致量子壘中的能帶彎曲使其也形成三角形勢壘，會阻礙電流的擴散，需要提高電壓使載流子通過勢壘，同樣降低了LED的發光效率。
有研究人員提出了用與InGaN量子阱晶格更匹配的氮化鋁銦鎵AlInGaN 量子壘，從而消除極化效應的影響。另有研究人員采用三角形的量子阱，使電子和空穴被限制在勢能最低處，這樣極化電場導致的能帶彎曲不會造成電子和空穴在空間上的分離，電子和空穴的波函數重疊積分不再對極化效應敏感，LED的發光效率也不再受到極化效應的影響。
對于采用AlInGaN量子壘的方法，由于鋁(Al)和銦(In)并入較為困難，因此很難獲得高晶體質量的AlInGaN外延材料。對于三角形的量子阱的方法，由于量子阱厚度一般只有幾個納米，生長時間很短，要在這么短的時間內實現如此復雜的組分結果變化，在工藝上比較困難，也難以生長出較理想的三角形量子阱。此兩種方法在工藝操作性上均存在較大困難。
技術實現要素：
為了解決現有技術存在的問題，本發明公開了一種發光二極管外延片及其制造方法。
本發明公開了一種n型摻雜量子壘的發光二極管外延片，其特點在于n型摻雜的地點只存在于量子壘和量子阱界面處，且該界面為量子壘靠近p型一側的界面，量子壘和量子阱中其他地方并不進行n型摻雜。由于量子阱InGaN的壓電極化效應，導致在量子阱和量子壘的界面處存在面電荷，從量子壘角度來看，靠近n型一側的界面帶有正電荷，靠近p型一側的界面帶有負電荷。本發明提供的發光二極管外延片的制造方法中，在量子壘靠近p型一側的界面進行n型摻雜，雜質電離后留下固定的正電中心，可以抵消掉極化效應在該界面處產生的負電荷，進而削弱兩個界面處面電荷產生的極化電場的作用。從而降低極化效應的影響，提高LED發光效率。
本發明在量子壘靠近p型一側的界面進行n型摻雜，例如摻硅(Si)。雜質Si電離后留下固定的正電中心，抵消該界面處極化效應形成的負電荷，從而削弱極化效應的影響，提高LED發光效率。工藝上具有可操作性，可以生 長出較理想的摻雜界面。
本發明提供一種發光二極管外延片，包括襯底和依次形成在所述襯底上的緩沖層、n型層、復合多量子阱發光區、電子阻擋層、以及p型層，所述復合多量子阱發光區包括交替形成的量子阱層和量子壘層，每一量子壘層在靠近所述p型層一側的界面具有由n型摻雜形成的量子壘摻雜層。
優選地，所述交替形成的所述量子阱層和所述量子壘層的周期數處于1至20之間。
優選地，所述n型摻雜為硅摻雜。
優選地，所述硅摻雜的摻雜濃度處于1×1019/cm3至1×1020/cm3之間。
優選地，所述硅摻雜的摻雜濃度為5×1019/cm3。
優選地，所述硅摻雜的摻雜厚度處于1至3個硅原子的厚度之間。
本發明還提供一種發光二極管外延片的制造方法。所述方法包括：提供一襯底；在所述襯底上依次生長緩沖層、n型層、復合多量子阱發光區、電子阻擋層、以及p型層，其中，所述復合多量子阱發光區包括交替形成的量子阱層和量子壘層，在每一量子壘層靠近所述p型層一側的界面進行n型摻雜以形成量子壘摻雜層。
優選地，所述交替形成的所述量子阱層和所述量子壘層的周期數處于1至20之間。
優選地，所述n型摻雜為硅摻雜。
優選地，所述硅摻雜的摻雜濃度處于1×1019/cm3至1×1020/cm3之間。
優選地，所述硅摻雜的摻雜濃度為5×1019/cm3。
優選地，所述硅摻雜的摻雜厚度處于1至3個硅原子的厚度之間。
通過上述技術方案，在發光二極管的量子壘層中靠近p型層一側進行n型摻雜，生長出n型摻雜阱壘界面，能夠抵消該界面處極化效應形成的負電荷，削弱壓電極化形成的極化電場的作用，降低極化效應的影響，提高LED的發 光效率。
本發明的其他特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。
附圖說明
附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：
圖1是一示例性實施例提供的LED外延片的結構示意圖；
圖2是一示例性實施例提供的復合多量子阱發光區的局部結構示意圖；
圖3是一示例性實施例提供的LED外延片的制造方法的流程圖；以及
圖4是一示例性實施例提供的在襯底上生長各個層的流程圖。
附圖標記說明
1 襯底 2 緩沖層 3 n型層
4 復合多量子阱發光區 5 電子阻擋層 6 p型層
7 量子阱層 8 量子壘層 9 靠近p型層一側的界面
10 量子壘摻雜層
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
圖1是一示例性實施例提供的LED外延片的結構示意圖。如圖1所示，該 發光二極管外延片包括襯底1和依次形成在襯底1上的緩沖層2、n型層3、復合多量子阱發光區4、電子阻擋層5、以及p型層6。復合多量子阱發光區4包括交替形成的量子阱層7和量子壘層8，每一量子壘層8在靠近p型層6一側的界面9具有由n型摻雜形成的量子壘摻雜層10。
其中，襯底1可以是藍寶石襯底，緩沖層2可以是氮化鎵緩沖層，n型層3可以是硅摻雜n型氮化鎵，p型層6可以是鎂摻雜p型氮化鎵，量子阱層7可以是氮化銦鎵量子阱層，量子壘層8可以是氮化鎵量子壘。另外，在緩沖層2和n型層3之間還可以形成有本征層，該本征層可以是氮化鎵。
圖2是一示例性實施例提供的復合多量子阱發光區4的局部結構示意圖。如圖2所示，復合多量子阱發光區4可以包括交替形成的量子阱層7和量子壘層8。交替形成的量子阱層7和量子壘層8的周期數可以處于1至20之間。其中，量子阱層7和量子壘層8交替出現一次為一個周期，也就是，每一周期包括量子阱層7和層疊在量子阱層7之上的量子壘層8。該周期數為量子阱層7和量子壘層8交替出現的次數。優選地，交替形成的量子阱層7和量子壘層8的周期數為15。
每一量子壘層8在靠近p型層6一側的界面9具有由n型摻雜形成的量子壘摻雜層10。其中，所述n型摻雜為硅摻雜。
Si摻雜的摻雜濃度可以處于1×1019/cm3至1×1020/cm3之間。例如，Si摻雜的摻雜濃度為5×1019/cm3。Si摻雜的摻雜厚度可以處于1至3個硅原子的厚度之間。量子阱層7的厚度可以為1-7nm，優選為3nm。量子壘層8的厚度可以為7-20nm，優選為12nm。
通過上述技術方案，在發光二極管的量子壘層中靠近p型層一側進行n型摻雜，生長出n型摻雜阱壘界面，能夠抵消該界面處極化效應形成的負電荷，削弱壓電極化形成的極化電場的作用，降低極化效應的影響，提高LED的發光效率。
本發明還提供了一種LED外延片的制造方法。圖3是一示例性實施例提供的LED外延片的制造方法的流程圖。如圖3所示，所述方法可以包括以下步驟。
在步驟S11中，提供一襯底1。
例如，可以提供藍寶石襯底。可以對襯底1進行熱清洗及氮化處理，具體為：在1080-1190℃、氫氣氣氛里進行熱清洗，降溫至630℃后進行氮化處理。
在步驟S12中，在襯底1上依次生長緩沖層2、n型層3、復合多量子阱發光區4、電子阻擋層5、以及p型層6。其中，復合多量子阱發光區4包括交替形成的量子阱層7和量子壘層8，在每一量子壘層8靠近p型層6一側的界面9進行n型摻雜以形成量子壘摻雜層10。
圖4是一示例性實施例提供的在襯底1上生長各個層的流程圖。如圖4所示，襯底1上生長各個層的步驟(步驟S12)可以包括以下步驟。
在步驟S121中，在襯底1上生長緩沖層2。該緩沖層2的材料可以為氮化鎵。工藝條件可以為：生長溫度600℃，生長壓力350-750Torr。緩沖層2的厚度可以為18-32nm。
在步驟S122中，在緩沖層2上生長n型層3，該n型層3的材料可以為氮化鎵，并可以摻雜有甲硅烷(SiH4)。其中，生長壓力可以為100-600Torr，生長溫度可以為1080-1190℃。
還可以在緩沖層2上生長本征層，在本征層上再生長n型層3。該本征層的材料可以為氮化鎵。可以先對緩沖層2進行退火處理，退火處理后再生長本征層。生長壓力可以為100-600Torr，生長厚度可以為0.6-1.8μm。
在步驟S123中，在n型層3上生長復合多量子阱發光區4。該復合多量子阱發光區4可以為多周期結構，交替形成的量子阱層7和量子壘層8的周期數可以處于1至20之間，并且優選為15。每一周期包括量子阱層7和層疊在量子 阱層7之上的量子壘層8。
其中，每一周期的量子阱層7的生長工藝條件可以為：生長溫度730-840℃，生長壓力100-400Torr，每一周期的量子阱層7的厚度可以為1-7nm，優選為3nm；每一周期的量子壘層8的生長工藝條件可以為：生長溫度810-960℃，生長壓力100-400Torr，每一周期的量子壘層8的厚度可以為7-20nm，優選為12nm。
在每一周期的量子壘層8靠近p型層6一側的界面9(該周期量子壘層8生長的最后階段)可以摻雜Si，也就是，上述n型摻雜可以為Si摻雜。Si摻雜的摻雜濃度處于1×1019/cm3至1×1020/cm3之間，優選為5×1019/cm3。Si摻雜的摻雜厚度處于1至3個原子層的厚度之間，并且越薄越好。
在步驟S124中，在復合多量子阱發光區4上生長電子阻擋層5。
在步驟S125中，在電子阻擋層5上生長P型層6。該P型層6的材料可以為氮化鎵，摻雜有SiH4。工藝條件可以為：生長壓力100-600Torr，生長溫度1080-1190℃。
其中，可以采用三甲基鎵(TMGa)、三乙基鎵(TEGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)、二茂鎂(Cp2Mg)、氨氣(NH3)、甲硅烷(SiH4)作為沉積材料，并分別以氫氣(H2)、氮氣(N2)作為載氣。
通過上述技術方案，在發光二極管的量子壘層中靠近p型層一側進行n型摻雜，生長出n型摻雜阱壘界面，能夠抵消該界面處極化效應形成的負電荷，削弱壓電極化形成的極化電場的作用，降低極化效應的影響，提高LED的發光效率。
以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。
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