CN101212000A - 发光二极管器件结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管器件结构，由下到上依次包括如下各层：蓝宝石衬底、缓冲成核层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱层、掺Al和Mg的GaN层和掺Mg的GaN层，所述N型GaN层分为位于下面的第一掺Si的GaN层和位于上面的第二掺Si的GaN层，所述第一掺Si的GaN层与所述第二掺Si的GaN层之间还包括有掺Si的AlGaN层。本发明还公开了上述发光二极管器件的制作方法，在制作N型GaN层的时候，包括先生长第一掺Si的GaN层，然后生长掺Si的AlGaN层，再生长第二掺Si的GaN层的步骤。本发明通过上述方法制作发光二极管器件，其步骤简单，易于实现，制作出的发光二极管器件具有很好的防静电能力和晶体结构，大大的提高了发光二极管的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件结构，尤其是一种发光二极管器件结构。本发明还涉及一种发光二极管器件结构的制作方法。
背景技术
高亮度发光二极管在显示、装饰和景观照明中的应用越来越广泛。但是户外使用的恶劣条件对发光二极管器件的性能，尤其是抗静电能力提出越来越高的要求。装饰电路很多是串连电路，如果有一个发光二极管坏掉将会造成整条线的发光二极管熄灭。而各种颜色的发光二极管中，以GaN(氮化镓)为材料制作的蓝绿光发光二极管的抗静电能力一直比较薄弱。近年来台湾、日本以及国内的一些企业在这方面投入了巨大的研究资源，从多个角度试图提高芯片的抗静电能力。
芯片的抗静电能力主要跟两个因素相关：一是芯片内部的电场和电流密度分布，二是GaN材料的晶体质量。就电流密度分布来说，一般情况下，n-GaN:Si的载流子浓度较高，可达到1018cm-3，p-GaN:Mg的载流子浓度较小，一般为1017cm-3；由于P区的载流子浓度相对较小，因此在p-n结附近，P区的电场相对较大。
对于GaN晶体质量来说，采用金属氧化物化学气相沉积技术制备的GaN晶体往往存在或多或少的缺陷，降低了晶体质量。而且，为了提高器件的出光效率，位于上层的GaN层需要进行粗化。现有比较普遍的粗化工艺是低温生长GaN层，但是低温工艺会导致晶体质量大大降低，更严重的影响了器件防静电的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种发光二极管器件结构，能够具有较好的晶体质量，以及较好的防静电的能力，使得器件的性能得到提升。
为解决上述技术问题，本发明发光二极管器件结构的技术方案是，由下到上依次包括如下各层：蓝宝石衬底、缓冲成核层、未掺杂的GaN层、掺Si的GaN层、多量子阱层、掺Al和Mg的GaN层和掺Mg的GaN层，所述掺Si的GaN层分为位于下面的第一掺Si的GaN层和位于上面的第二掺Si的GaN层，所述第一掺Si的GaN层与所述第二掺Si的GaN层之间还包括有掺Si的AlGaN层。
本发明所要解决的另一技术问题是，提供一种发光二极管器件的制作方法，其步骤简单易行，制作出的发光二极管器件具有较好的晶体质量和防静电能力。
为解决上述技术问题，本发明发光二极管器件的制作方法的技术方案是，包括如下步骤：
(1)高温清洁衬底片：采用H2作载气，反应室温度1000℃～1200℃，时间10分钟～30分钟；
(2)生长缓冲成核层：有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度500℃～600℃，膜厚20nm～40nm；
(3)生长未掺杂GaN层：有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度1050℃～1150℃，膜厚0.4μm～1.2μm；
(4)生长N型GaN层：先生长第一掺Si的GaN层，然后生长掺Si的AlGaN层，再生长第二掺Si的GaN层；生长第一Si的GaN层和第二掺Si的GaN层时，有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度1050℃～1150℃；生长掺Si的AlGaN层时，有机MO源采用TMGa、TMAl、CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合气体作载气，时间为250s～1000s，温度为850℃～950℃，压力为100Torr～200Torr，膜厚为
～NH3的流量为10L～20L，SiH4流量为2sccm～10sccm，TMAl的流量为20sccm～50sccm，TMGa流量为15sccm～30sccm；所述N型GaN层总的膜厚为3μm～5μm；
(5)生长多量子阱层：所述多量子阱包括5周期的n-GaN/InGaN，有机MO源采用TEGa和TMIn，高纯气体原料采用NH3，以N2作载气，反应室温度700℃～800℃，垒的膜厚
～
阱的膜厚
～
(6)生长掺Al和Mg的GaN层：有机MO源采用TMGa、TMAl、CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合作载气，反应室温度850℃～950℃，膜厚
～生长时间为100s～400s，压力为100～200Torr，NH3流量为10L～20L，CP2Mg的流量为300sccm～500sccm，TMAl的流量为20sccm～50sccm，TMGa的流量为15sccm～30sccm；
(7)生长掺Mg的GaN层：时间为600s～1200s，温度为900℃～1000℃，压力为100Torr～200Torr，载气为N2和H2的混合气体，N2的流量为15L～30L，CP2Mg流量为400sccm～600sccm，TMGa流量为30sccm～60sccm；
(8)炉内后退火：N2作载气，反应室温度600℃～700℃，时间10分钟～40分钟。
本发明通过上述方法制作发光二极管器件，其步骤简单，易于实现，制作出的发光二极管器件具有很好的晶体质量以及良好的防静电能力，大大的提高了发光二极管的性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：
附图为本发明发光二极管器件的结构示意图。
图中附图标记为，1.蓝宝石衬底；2.缓冲成核层；3.未掺杂的GaN层；4.第一掺Si的GaN层；5.掺Si的AlGaN层；6.第二掺Si的GaN层；7.多量子阱层；8.掺Al和Mg的GaN层；9.掺Mg的高温GaN层；10.掺Mg的低温GaN层。
具体实施方式
本发明发光二极管器件结构可参见附图所示，由下到上依次包括如下各层：蓝宝石衬底1、缓冲成核层2、未掺杂的GaN层3、N型GaN层、多量子阱层7、掺Al和Mg的GaN层8和掺Mg的GaN层，所述N型GaN层分为位于下面的第一掺Si的GaN层4和位于上面的第二掺Si的GaN层6，所述第一掺Si的GaN层4与所述第二掺Si的GaN层6之间还包括有掺Si的AlGaN层5。
所述第一掺Si的GaN层4、掺Si的AlGaN层5和第二掺Si的GaN层6的总的厚度为3μm～5μm。
所述掺Mg的GaN层包括位于下面的掺Mg的高温GaN层9和位于上面的掺Mg的低温GaN层10。
所述掺Mg的低温GaN层10为粗化层。
本发明还公开了一种上述的发光二极管器件的制作方法，包括如下步骤：
(1)高温清洁衬底片：采用H2作载气，反应室温度1000℃～1200℃，时间10分钟～30分钟；
(2)生长缓冲成核层：有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度500℃～600℃，膜厚20nm～40nm；
(3)生长未掺杂GaN层：有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度1050℃～1150℃，膜厚0.4μm～1.2μm；
(4)生长N型GaN层：先生长第一掺Si的GaN层，然后生长掺Si的AlGaN层，再生长第二掺Si的GaN层；生长第一Si的GaN层和第二掺Si的GaN层时，有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度1050℃～1150℃；生长掺Si的AlGaN层时，有机MO源采用TMGa、TMAl、CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合气体作载气，时间为250s～1000s，温度为850℃～950℃，压力为100Torr～200Torr，膜厚为
～
NH3的流量为10L～20L，SiH4流量为2sccm～10sccm，TMAl的流量为20sccm～50sccm，TMGa流量为15sccm～30sccm；所述N型GaN层总的膜厚为3μm～5μm；
(5)生长多量子阱层：所述多量子阱包括5周期的n-GaN/InGaN，有机MO源采用TEGa和TMIn，高纯气体原料采用NH3，以N2作载气，反应室温度700℃～800℃，垒的膜厚
～阱的膜厚
～
(6)生长掺Al和Mg的GaN层：有机MO源采用TMGa、TMAl、CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合作载气，反应室温度850℃～950℃，膜厚
～
生长时间为100s～400s，压力为100～200Torr，NH3流量为10L～20L，CP2Mg的流量为300sccm～500sccm，TMAl的流量为20sccm～50sccm，TMGa的流量为15sccm～30sccm；
(7)生长掺Mg的GaN层：时间为600s～1200s，温度为900℃～1000℃，压力为100Torr～200Torr，载气为N2和H2的混合气体，N2的流量为15L～30L，CP2Mg流量为400sccm～600sccm，TMGa流量为30sccm～60sccm；
(8)炉内后退火：N2作载气，反应室温度600℃～700℃，时间10分钟～40分钟。
在上述发光二极管器件的制作方法的步骤(7)中，
先生长掺Mg的高温GaN层：有机MO源采用TMGa，CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合作载气，反应室温度900℃～980℃，膜厚30nm～60nm；
然后生长掺Mg的低温GaN层：有机MO源采用TMGa，CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2/H2混合作载气，反应室温度830℃～900℃，膜厚200nm～400nm。
提高器件的抗静电能力的一种途径就是提高晶体的结晶质量，在本发明的器件结构中，在所述多量子阱层7下面，掺Si的GaN层分为位于下面的第一掺Si的GaN层4和位于上面的第二掺Si的GaN层6，所述第一掺Si的GaN层4与所述第二掺Si的GaN层6之间还包括有掺Si的AlGaN层5。这种结构也提高了晶体的结晶质量，从而提高了器件的抗静电能力。
提高器件的抗静电能力的另一种方法是减弱P型GaN的电场，可以采用的方法是将P型GaN晶体厚度加厚。这样在电压相同的情况下，P区内的电场得到减弱，电流变小。但是，如果将P型GaN加厚，会影响器件的晶体质量，甚至影响多量子阱层7的质量。本发明中，所述P型GaN包括掺Al和Mg的GaN层8、掺Mg的高温GaN层9和掺Mg的低温GaN层10，在制作过程中，先高温(900℃～980℃)生长较薄层(30nm～60nm)的掺Mg的高温GaN层9来确保较好的晶体质量，然后低温生长较厚(200nm～400nm)的掺Mg的低温GaN层10。为了保护了前面生长的多量子阱层7，避免长时间的高温外延对其造成影响，必须采用低温(830℃～900℃)生长掺Al和Mg的GaN层8。通过优化生长P型GaN时的温度、压力、生长速率等关键参数，较好地改善了晶体的结晶状况，减少了缺陷，达到既能提高芯片的P层抗静电能力又可以较好的与粗化结合起来；所谓粗化层就是在生长p-GaN层时，通过加大三甲基镓(TMGa)的流量来加快GaN的生长速率，同时加大P型掺杂二茂镁(CP2Mg)的浓度，重掺杂的p-GaN可保证PN结的低电阻性能。
本发明通过在掺Mg的低温GaN层10和掺Al和Mg的GaN层8之间掺入掺Mg的高温GaN层9，保证了晶体的缺陷少，也保证了粗化层的实现，还保护了多量子阱层，既能提高芯片的器件的抗静电能力，又可以较好的与粗化结合起来提高出光强度。
Claims (6)
1.一种发光二极管器件结构，由下到上依次包括如下各层：蓝宝石衬底、缓冲成核层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、多量子阱层、掺Al和Mg的GaN层和掺Mg的GaN层，其特征在于，所述N型GaN层分为位于下面的第一掺Si的GaN层和位于上面的第二掺Si的GaN层，所述第一掺Si的GaN层与所述第二掺Si的GaN层之间还包括有掺Si的AlGaN层。
2.根据权利要求1所述的发光二极管器件结构，其特征在于，所述第一掺Si的GaN层、掺Si的AlGaN层和第二掺Si的GaN层的总的厚度为3μm～5μm。
3.根据权利要求1所述的发光二极管器件结构，其特征在于，所述掺Mg的GaN层包括位于下面的掺Mg的高温GaN层和位于上面的掺Mg的低温GaN层。
4.根据权利要求3所述的发光二极管器件结构，其特征在于，所述掺Mg的低温GaN层为粗化层。
5.一种如权利要求1所述的发光二极管器件的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)高温清洁衬底片：采用H2作载气，反应室温度1000℃～1200℃，时间10分钟～30分钟；
(2)生长缓冲成核层：有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度500℃～600℃，膜厚20nm～40nm；
(3)生长未掺杂GaN层：有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度1050℃～1150℃，膜厚0.4μm～1.2μm；
(4)生长N型GaN层：先生长第一掺Si的GaN层，然后生长掺Si的AlGaN层，再生长第二掺Si的GaN层；生长第一Si的GaN层和第二掺Si的GaN层时，有机MO源采用TMGa，高纯气体原料采用NH3，以H2作载气，反应室温度1050℃～1150℃；生长掺Si的AlGaN层时，有机MO源采用TMGa、TMAl、CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合气体作载气，时间为250s～1000s，温度为850℃～950℃，压力为100Torr～200Torr，膜厚为
～
NH3的流量为10L～20L，SiH4流量为2sccm～10sccm，TMAl的流量为20sccm～50sccm，TMGa流量为15sccm～30sccm；所述N型GaN层总的膜厚为3μm～5μm；
(5)生长多量子阱层：所述多量子阱包括5周期的n-GaN/InGaN，有机MO源采用TEGa和TMIn，高纯气体原料采用NH3，以N2作载气，反应室温度700℃～800℃，垒的膜厚～
阱的膜厚
～
(6)生长掺Al和Mg的GaN层：有机MO源采用TMGa、TMAl、CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合作载气，反应室温度850℃～950℃，膜厚
～
生长时间为100s～400s，压力为100～200Torr，NH3流量为10L～20L，CP2Mg的流量为300sccm～500sccm，TMAl的流量为20sccm～50sccm，TMGa的流量为15sccm～30sccm；
(7)生长掺Mg的GaN层：时间为600s～1200s，温度为900℃～1000℃，压力为100Torr～200Torr，载气为N2和H2的混合气体，N2的流量为15L～30L，CP2Mg流量为400sccm～600sccm，TMGa流量为30sccm～60sccm；
(8)炉内后退火：N2作载气，反应室温度600℃～700℃，时间10分钟～40分钟。
6.根据权利要求5所述的发光二极管半导体器件的制作方法，其特征在于，在步骤(7)中，
先生长掺Mg的高温GaN层：有机MO源采用TMGa，CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合作载气，反应室温度900℃～980℃，膜厚30nm～60nm；
然后生长掺Mg的低温GaN层：有机MO源采用TMGa，CP2Mg，高纯气体原料采用NH3，以N2和H2混合作载气，反应室温度830℃～900℃，膜厚200nm～400nm。
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