CN101645480B - 一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，该发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底，低温缓冲层，未掺杂的氮化镓高温缓冲层，氮化铝镓/氮化镓超晶格结构，未掺杂的氮化镓高温缓冲层、N型接触层、N型氮化镓导电层、发光层多量子阱结构MQW、P型氮化铝镓电子阻挡层、P型氮化镓导电层、P型接触层，本发明在未掺杂的氮化镓高温缓冲层中插入了一氮化铝镓/氮化镓超晶格周期结构。氮化铝镓/氮化镓超晶格周期结构的插入能有效改善材料的晶体质量，从而提高氮化镓基发光二极管抗静电能力，提高器件的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓GaN基发光二极管(LED)外延材料的生长方法。该方法能降低发光二极管外延材料中的位错密度，提高发光二极管LED的ESD抗静电能力。本发明还涉及一种氮化镓(GaN)基发光LED外延片结构。
背景技术
半导体LED具有高效节能、绿色环保的优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用，尤其是利用大功率LED可能实现半导体固态照明，有望成为新一代光源进入千家万户，引起人类照明史的革命。目前实现半导体白光源主要集中在三种方法上，第一种是红、绿、蓝光LED混合封装得到白光，第二种是在蓝光LED芯片上涂敷黄光荧光粉，蓝光激发荧光粉发出黄光，蓝光与黄光混合得到白光；第三种是在紫外LED芯片上涂敷三基色荧光粉，紫外光激发荧光粉发出红、绿、蓝光，三者混合得到白光。目前最普遍应用的方法是第二种，因此制备高亮度高可靠的蓝光LED是非常重要的。以GaN为代表的III族氮化物属直接跃迁型的宽带隙半导体材料，其发光谱覆盖了从紫光到红光的整个可见光波段，而且具有电子漂移饱和速度高、热导率高、硬度大、介电常数小、化学性质稳定及抗辐射、抗高温等优点，使得其广泛地应用于高亮度蓝绿光LED、蓝紫光LD的研制。
用于氮化镓研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。碳化硅SiC衬底有许多突出的优点，化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，可以采用上下电极结构，能比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题。但不足方面也非常突出：机械加工性能比较差，价格昂贵，目前国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。因此，当前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是蓝宝石Al2O3衬底，众所周知，GaN与其衬底蓝宝石的晶格失配度相当大，所以在蓝宝石上生长GaN容易造成大量的晶格缺陷，而这些缺陷过多就会造成p-n结发生隧道击穿，从而大大降低器件ESD抗静电能力，容易导致器件失效，所以减少晶格缺陷的形成是减少芯片失效率、增进稳定性最本质的办法。外延片生长技术是发光二极管LED技术的精髓所在。为了提高LED发光效率，提高发光的可靠性和稳定性，外延技术也是日新月异、突飞猛进。大连路美的前身——原美国AXT光电公司公开了一种通过在生长铟镓氮(InGaN)层之前先长3层缓冲层来减少晶格失配的方法。第一层是InGaN层，第二层是铝镓氮(AlGaN)，起从InGaN到GaN的过渡作用，第三层是GaN，它为高质量的InGaN的生长提供了基础。这项技术在保证亮度和电压的同时，能够有很好的稳定性。上海蓝光科技有限公司公开了一种通过在原有GaN基LED结构的N型氮化镓(n-GaN)中插入一层未掺杂的氮化镓层，或在N型氮化镓n-GaN层和多量子阱的势垒层间插入一层未掺杂的氮化镓层，使在原有的氮化镓基LED结构中增加一电容，从而提高该GaN基LED的抗静电性能。璨圆光电股份有限公司公开了一种具有高逆向反抗电压以及高抗静电能力的氮化镓发光二极管结构，其结构与公知的氮化镓发光二极管最主要的差异是利用未掺杂的氮化铟镓或是低能隙(Eg＜3.4eV)的未掺杂的氮化铝铟镓两种材料，在公知的氮化镓发光二极管的P型接触层上形成一层抗静电薄层。此抗静电薄层可以使得氮化镓发光二极管逆向反抗电压以及抗静电能力获得明显改善，进而提高氮化镓发光二极管的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的外延生长方法以及一种新的外延片结构，提高氮化镓基发光二极管的抗静电能力。该方法在未掺杂的氮化镓高温缓冲层中插入了氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构。合理的超晶格结构设计对缓释应力与降低氮化镓材料的位错密度有很大帮助，可以提高发光二极管的内量子发光效率、降低正向工作电压，能明显提高氮化镓发光二极管LED芯片的ESD抗静电能力。
本发明的技术方案为：一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，该发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底，低温缓冲层，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u-GaN，氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格结构，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u-GaN，N型接触层，N型氮化镓导电层，发光层多量子阱结构MQW，P型氮化铝镓电子阻挡层，P型氮化镓导电层，P型接触层；其氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构的生长步骤为：先生长一层氮化铝镓薄膜，该层材料上再生长一层氮化镓薄膜，然后再生长一层氮化铝镓薄膜，一层氮化镓薄膜......如此循环，其周期数目介于2～20之间；该超晶格周期结构的开始层与结束层材料可以是氮化铝镓薄膜，也可以是氮化镓薄膜。氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构中氮化铝镓垒层厚度与氮化镓阱层厚度介于2nm~20nm之间。氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格周期结构的垒层：氮化铝镓中铝的组分介于0.02~0.35之间。氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构中垒层氮化铝镓的生长压力介于30~500Torr之间，阱层氮化镓的生长压力介于100~500Torr之间。氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构的垒层氮化铝镓与阱层氮化镓可以同气氛生长，也可以分别在不同的气氛中生长；垒层氮化铝镓与阱层氮化镓可以在纯氢气气氛中生长，也可以在氮氢混合气氛中生长。
本发明方法在未掺杂的氮化镓高温缓冲层中插入了一氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格周期结构。氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格周期结构插入层使位错发生合并、转向或是使位错终止，对螺型位错和刃型位错都有一定的抑制效果。
本发明以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)、二茂镁(Cp2Mg)分别作为n、p型掺杂剂。氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构插入层技术是过滤GaN薄膜中缺陷的有效方法，能改善材料的晶体质量，从而提高氮化镓发光二极管抗静电能力，提高器件的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为公知的芯片结构图；
图2为本发明一种提高发光二极管抗静电能力方法的芯片结构图。
其中1为衬底、2为低温缓冲层、3为高温缓冲层、4为氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格周期结构插入层、5为高温缓冲层、6为N型接触层、7为N型氮化镓导电层、8为发光层多量子阱结构MQW、9为P型氮化铝镓电子阻挡层、10为P型氮化镓导电层、11为P型接触层、12为透明导电层(Ni/Au或者ITO)、13为P电极、14为N电极。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
(1)衬底1：首先将蓝宝石衬底在温度为1050℃，纯氢气气氛里进行退火，然后进行氮化处理；
(2)低温缓冲层2：将温度下降到585℃，生长20nm厚的低温GaN成核层；
(3)高温缓冲层3：低温缓冲层2生长结束后，停止通入TMGa，将衬底温度升高1050℃，对低温缓冲层2在原位进行退火处理，退火时间为8分钟；退火之后，生长厚度为0.8μm的高温不掺杂的GaN；
(4)0.8μm厚的高温不掺杂的GaN高温缓冲层3生长结束后，在纯氢气气氛中生长5个周期的氮化铝镓/氮化镓(Al0.2Ga0.8N/GaN)超晶格结构4，超晶格结构4中氮化铝镓(Al0.2Ga0.8N)与氮化镓(GaN)的厚度相同，即阱垒等厚，均为3nm，反应腔的生长压力为200Torr。
(5)5个周期的氮化铝镓/氮化镓(Al0.2Ga0.8N/GaN)超晶格结构4生长结束后，调整生长条件同高温缓冲层3，继续生长厚度为0.8μm的不掺杂的GaN高温缓冲层5。
(6)不掺杂的GaN高温缓冲层5生长结束后，生长N型接触层6，厚度为2.5μm。
(7)N型接触层6生长结束后，生长厚度为1μm的N型氮化镓导电层7。
(8)N型氮化镓导电层7生长结束后生长发光层多量子阱结构MQW 8：发光层8由6个周期的In0.3Ga0.7N/GaN多量子阱组成。阱垒的厚度分别为2.5nm和15nm。
(9)发光层多量子阱结构MQW 8生长结束后，生长厚度为80nm的P型氮化铝镓(AlGaN)电子阻挡层9。
(10)电子阻挡层9生长结束后，生长P型氮化镓导电层10，厚度为0.2μm。
(11)P型氮化镓导电层10生长结束后，生长P型接触层11，P型掺杂浓度为1×1020/cm3，生长厚度为15nm。
所有外延工艺生长结束后，将反应腔的温度降至800℃，纯氮气氛围进行退火处理10min，然后降至室温，结束外延工艺生长。
(12)ITO透明导电层12
(13)P电极13
(14)N电极14
经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，分割成尺寸大小为11×11mil的LED芯片。经LED芯片ESD抽测，可抗静电：人体模式4000V。而传统的外延生长方式(传统的外延工艺生长的芯片结构图如图1所示)经过相同芯片制程，可抗静电仅为2000V。
实施例2
实施例2外延工艺与实施例1的不同之处在于氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格周期结构4中阱层与垒层的生长厚度较厚。垒层氮化铝镓(Al0.2Ga0.8N)与阱层氮化镓(GaN)的厚度均为6nm。经过同样条件的芯片制程与ESD抽测，可抗静电：人体模式4000V。
实施例3
实施例3外延工艺与实施例1的不同之处在于氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构4的生长工艺。氮化铝镓中铝的组分由0.2增加到0.35，垒层氮化铝镓生长压力为30Torr，阱层氮化镓生长压力为100Torr。经过同样条件的芯片制程与ESD抽测，可抗静电：人体模式4000V，该工艺不仅使芯片的抗静电性能得到改善，而且光输出功率也较传统芯片增加10％。
实施例4
实施例4外延工艺与实施例1的不同之处在于氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构4生长的周期数，实施例4中周期数由实施例1中的5个周期增加到20个周期，垒层氮化铝镓(Al0.2Ga0.8N)与阱层氮化镓(GaN)的厚度均为2nm。经过同样条件的芯片制程与ESD抽测，可抗静电：人体模式5000V。
实施例5
实施例5外延工艺与实施例1的不同之处在于氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构4中阱层与垒层的生长厚度，垒层氮化铝镓中铝的组分以及生长压力，实施例5中，垒层氮化铝镓中铝的组分为0.02，阱层厚度为3nm，垒层厚度为6nm，阱层与垒层500Torr等压生长。
经过同样条件的芯片制程与ESD抽测，可抗静电：人体模式5000V。
实施例6
实施例6外延工艺与实施例5的不同之处在于氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构4中阱层与垒层的生长厚度，阱层厚度为6nm，垒层厚度为3nm，每个周期的总厚度相同。
经过同样条件的芯片制程与ESD抽测，可抗静电：人体模式5000V。
实施例7
实施例7外延工艺与实施例4的不同之处在于氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构4的生长气氛，实施例4与实施例1的生长气氛均为纯氢气氛围生长。实施例7中超晶格结构4生长过程中采用了气氛切换，垒层氮化铝镓(AlxGa1-xN，0＜x＜1)采用纯氢气氛围生长，阱层氮化镓(GaN)采用氮氢混合气氛生长。经过同样条件的芯片制程与ESD抽测，可抗静电：人体模式6000V。
实施例8
实施例8外延工艺与实施例7的不同之处在于氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构4的生长压力。实施例7中垒层氮化铝镓(AlxGa1-xN，0＜x＜1)与阱层氮化镓(GaN)反应腔生长压力相同，均为200Torr，而在本实施例中垒层氮化铝镓(AlxGa1-xN，0＜x＜1)采用50Torr低压生长，阱层氮化镓(GaN)生长压力较高，为300Torr。经过同样条件的芯片制程与ESD抽测，可抗静电：人体模式6000V。
实施例9
实施例9外延工艺与实施例1的不同之处在于氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构4生长的周期数以及生长厚度。实施例9中氮化铝镓/氮化镓(AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1)超晶格结构4生长的周期数为2个，垒层氮化铝镓(Al0.2Ga0.8N)厚度为20nm，阱层氮化镓(GaN)的厚度为10nm。经过同样条件的芯片制程与ESD抽测，可抗静电：人体模式4000V。
Claims (7)
1.一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，该发光二极管外延片结构从下向上的顺序依次为衬底，低温缓冲层，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u-GaN，氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格结构，未掺杂的氮化镓高温缓冲层u-GaN，N型接触层，N型氮化镓导电层，发光层多量子阱结构MQW，P型氮化铝镓电子阻挡层，P型氮化镓导电层，P型接触层；其特征在于：在未掺杂的氮化镓高温缓冲层中插入了一氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1，超晶格周期结构。
2.如权利要求1所述的一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于：在未掺杂的氮化镓高温缓冲层中插入了一氮化铝镓/氮化镓的步骤，先生长一层氮化铝镓薄膜，该层材料上再生长一层氮化镓薄膜，然后再生长一层氮化铝镓薄膜，一层氮化镓薄膜……如此循环，其周期数目介于2～20之间；该超晶格周期结构的开始层与结束层材料可以是氮化铝镓薄膜，也可以是氮化镓薄膜。
3.如权利要求1或2所述一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构中氮化铝镓垒层厚度与氮化镓阱层厚度介于2nm～20nm之间。
4.如权利要求1或2所述一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构的垒层，氮化铝镓中铝的组分介于0.02～0.35之间。
5.如权利要求1或2所述一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构中垒层氮化铝镓的生长压力介于30～500Torr之间，阱层氮化镓的生长压力介于100～500Torr之间。
6.如权利要求1或2所述一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构的垒层氮化铝镓与阱层氮化镓可以同气氛生长，也可以分别在不同的气氛中生长。
7.如权利要求1或2所述一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于氮化铝镓/氮化镓AlxGa1-xN/GaN，0＜x＜1超晶格周期结构的垒层氮化铝镓与阱层氮化镓可以在纯氢气气氛中生长，也可以在氮氢混合气氛中生长。
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