CN103413880A - 提高led抗静电能力的外延生长方法及其外延结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高LED抗静电能力的外延生长方法及其外延结构,由下至上依次包括衬底、低温缓冲GaN层、不掺杂GaN层、N型GaN层、GaN层、多量子阱发光层、电子阻挡层和P型GaN层,其中,GaN层从下至上依次包括,厚度为47-52nm的掺杂Si的第一GaN层,厚度为98-103nm掺杂Si的AlGaN层,厚度为18-22nm的掺杂Si的第二GaN层,三层总体厚度为160-190nm。本发明采用高温、氢气氛围生长的GaN/AlGaN含Si的GaN复合层取代了传统的GaN含Si的InGaN:Si复合层,弥补了传统的结构位错密度高、晶体质量差的缺点,保持Si的掺杂曲线,并缩短生产时间。

Description

提高LED抗静电能力的外延生长方法及其外延结构
技术领域
本发明涉及LED外延结构制造领域,特别地,涉及一种提高LED抗静电能力的外延生长方法及其外延结构。
背景技术
降低电子的传播速度,可提高器件的光电性能,业界多通过浅阱束缚电子来达到减速电子的目的。目前国内厂家MOCVD生长外延生长方法中必须引入GaN:Si/InGaN超晶格,铟为该超晶格的必需材料,因为铟的有效掺杂温度在700-750℃,生长温度不能太高,所以GaN:Si/InGaN超晶格也必须在低温下生长才能实现铟的有效掺杂。另外,铟的掺杂必须在N2气氛下才能有效掺杂,因此铟掺杂的特性决定GaN:Si/InGaN超晶格生长的气氛为N2气氛,温度为低温。
但是,MOCVD生长GaN材料晶体质量高低的顺序大致为:高温+H2气氛>高温+N2气氛>低温+H2气氛>低温+N2气氛,低温+N2气氛是严重拉低晶体质量的原因。也就是说,由于铟的有效掺杂的条件限制,导致GaN:Si/InGaN超晶格的生长晶体质量非常差。并且,导致在该层基础生长的发光层、P型覆盖层晶体质量都大幅度下降,造成器件的上层晶体质量差,抗静电能力弱,亮度偏低,器件漏电大,耐受度不高。
市场上,大尺寸LED芯片一般需要抗静电能力高达2kv,更高的要求是抗静电能力高达4kv、6kv、8kv。随着市场的发展,客户的要求越来越高,传统提高抗静电能力的方法是将外延层厚度增加,但是成本急剧上升,产能也下降,这些问题一直困扰着LED制作厂家。急需一种缩短生产时间、提高产能、提高抗静电能力的LED外延新结构和生产方法。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高LED抗静电能力的外延生长方法及其外延结构,以解决LED芯片产能受限的技术问题。
为实现上述目的,本发明提供了一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,包括衬底处理、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长N型GaN层、生长GaN层、生长多量子阱发光层、生长电子阻挡层、生长P型GaN层步骤,其中生长GaN层步骤具体为:
A、在1200-1300℃、500mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长一层厚度为47-52nm的掺杂Si的GaN层,Si的掺杂浓度为5E+18-7E+18atom/cm3
B、在上述掺杂Si的GaN层基础上,生长一层厚度为98-103nm的掺杂Si的AlGaN层,Si的掺杂浓度为1E+17-3E+17atom/cm3,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3
C、在上述掺杂Si的AlGaN层基础上,生长一层厚度为18-22nm的掺杂Si的GaN层,Si的掺杂浓度为1E+17-3E+17atom/cm3
步骤A、B、C所生长的三层的总生长时间为4-5min;总体厚度为160-190nm。
优选地,步骤A、B、C所生长的掺杂Si的GaN层、掺杂Si的AlGaN层总厚度为163-188nm。
优选地,所述生长低温缓冲GaN层步骤为:
在540-560℃、500mbar压力、氢气气氛的反应室内,在衬底上生长厚度为45-55nm的低温缓冲GaN层。
优选地,所述生长不掺杂GaN层步骤为:
在1200-1300℃,300mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长厚度为3-6μm的不掺杂GaN层。
优选地,所述生长N型GaN层步骤为:
在1200-1300℃,300mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长厚度为3-6μm的N型GaN层,Si的掺杂浓度:5E+18-9E+18atom/cm3
优选地,所述生长多量子阱发光层步骤为:
在720-730℃,400mbar压力、氢气气氛的反应室内,周期性生长InyGa(1-y)N阱层和GaN磊层,周期数为14-17次;InyGa(1-y)N阱层的厚度为3.4-3.7nm,GaN磊层的厚度为12.5-13.5nm,总厚度为245-255nm;其中,y=0.20-0.23,InyGa(1-y)N阱层中In的掺杂浓度为1E+21-3E+21atom/cm3
优选地,所述生长电子阻挡层步骤为:
在980-1010℃,200mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长掺Al、Mg的PAlGaN电子阻挡层,Mg的掺杂浓度为1E+19-2E+19atom/cm3,Al的掺杂浓度为1E+21-3E+21atom/cm3
优选地,所述生长P型GaN层步骤为:
在1380-1410℃,200mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长掺Mg的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为3E+18-5E+18atom/cm3
本发明还提供了一种LED外延结构,由下至上依次包括衬底、低温缓冲GaN层、不掺杂GaN层、N型GaN层、GaN层、多量子阱发光层、电子阻挡层和P型GaN层,其中,GaN层从下至上依次包括:
掺杂Si的第一GaN层,厚度为47-52nm,Si的掺杂浓度:5E+18-7E+18atom/cm3
掺杂Si的AlGaN层,厚度为98-103nm,Si的掺杂浓度:1E+17-3E+17atom/cm3;Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3
掺杂Si的第二GaN层,厚度为18-22nm,Si的掺杂浓度:1E+17-3E+17atom/cm3
掺杂Si的第一GaN层、掺杂Si的AlGaN层和掺杂Si的第二GaN层的总体厚度为160-190nm。
优选地,掺杂Si的第一GaN层、掺杂Si的AlGaN层和掺杂Si的第二GaN层的总体厚度为163-188nm。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明采用高温、氢气氛围生长的GaN/AlGaN/含Si的GaN复合层取代了传统的GaN含Si的InGaN:Si复合层,通过高温、氢气氛围生长GaN晶体较好,弥补了传统的结构位错密度高、晶体质量差的缺点;通过设计材料的Si的掺杂量保持LED中Si的掺杂曲线,且AlGaN:Si层高能带材料减缓电子传播,使得原本的电性参数不改变。
2、本发明采用1200-1300℃的高温环境生长GaN层,生长速度增快为4μm/小时左右,使得生长时间缩短至5min左右,为传统方法50min左右的1/10,在保留原结构功能的前提下大大提高了产能。
3、在GaN/AlGaN/含Si的GaN复合层质量提高后,使得以其为基础的上层结构、发光层、P型层晶体质量提高,器件的性能得到提高,抗静电能力提高比较显著,亮度和漏电也略有提升。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外,本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图,对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是现有技术的LED外延结构示意图;
图2是本发明优选实施例的LED外延结构示意图;
图3是本发明优选实施例与对比实施例的亮度对比示意图;
图4是本发明优选实施例与对比实施例的反向漏电对比示意图;
图5是本发明优选实施例与对比实施例的ESD良率对比示意图;
图6是本发明优选实施例与对比实施例的电压对比示意图;
其中,1、衬底,2、低温缓冲GaN层,3、不掺杂GaN层,4、N型GaN层,5、GaN层,6、多量子阱发光层,7、电子阻挡层,8、P型GaN层,9、掺杂Si的第一GaN层,10、掺杂Si的AlGaN层,11、掺杂Si的第二GaN层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1、
可运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2、高纯N2或者高纯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)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,反应室压力在150mbar到700mbar之间。具体生长方式如下,具体结构可参见图2:
1、1100℃、500mbar压力、氢气气氛的反应室内,高温处理衬底10分钟左右。
2、540-560℃、500mbar压力、氢气气氛的反应室内,在衬底上生长厚度为45-55nm的低温缓冲GaN层。
3、1200-1300℃,300mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长厚度为3-6μm的不掺杂GaN层。
4、1200-1300℃,300mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长厚度为3-6μm的N型GaN层,Si的掺杂浓度:5E+18-9E+18atom/cm3
5、包括A、B、C三个步骤:
A、在1200-1300℃、500mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长一层厚度为47-52nm的掺杂Si的GaN层,Si的掺杂浓度:5E+18-7E+18atom/cm3
B、在上述掺杂Si的GaN层基础上,生长一层厚度为98-103nm的掺杂Si的AlGaN层,Si的掺杂浓度:1E+17-3E+17atom/cm3;Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3
C、在上述掺杂Si的AlGaN层基础上,生长一层厚度为18-22nm的掺杂Si的GaN层,Si的掺杂浓度:1E+17-3E+17atom/cm3
上述三层生长的总时间为4-5min,相比现有技术缩短了90%的生产时间;总体厚度为160-190nm。
6、720-730℃,400mbar压力、氢气气氛的反应室内,周期性生长InyGa(1-y)N阱层和GaN磊层,周期数为14-17次;InyGa(1-y)N阱层的厚度为3.4-3.7nm,GaN磊层的厚度为12.5-13.5nm,总厚度为245-255nm;其中,y=0.20-0.23,InyGa(1-y)N阱层中In的掺杂浓度为1E+21-3E+21atom/cm3
7、980-1010℃,200mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长掺Al、Mg的PAlGaN电子阻挡层,Mg的掺杂浓度为1E+19-2E+19atom/cm3,Al的掺杂浓度为1E+21-3E+21atom/cm3
8、1380-1410℃,200mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长掺Mg的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为3E+18-5E+18atom/cm3
9、降温至750-770℃左右,压力控制在700mbar左右,炉内退火25-30min后,炉内降温冷却。
本生长方法提高了GaN层的生长速度,并减缓电子传播,使得原本的电性参数不改变,从而提高以其为基础的上层结构、发光层、P型层晶体质量。
对比实施例、
运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2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)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,衬底为(0001)面蓝宝石,反应室压力在150mbar到700mbar之间。具体生长方式如下,具体结构可参见图1:
1、首先升温至1100℃左右的氢气气氛下,压力控制在200mbar左右,高温处理蓝宝石衬底1,约10分钟左右;
2、然后降温至550℃左右,氢气气氛下,压力控制在500mbar左右,在蓝宝石衬底1上生长厚度为50nm左右的低温缓冲GaN层2;
3、然后升温至1050℃左右,保持温度不变,氢气气氛下,压力控制在300mbar左右持续生长4um左右的不掺杂GaN层3;
4、保持温度不变,压力控制在300mbar左右,氢气气氛下,接着生长4.0μm左右的持续掺杂硅的N型GaN层4,Si的掺杂浓度:5E+18-9E+18atom/cm3
5、然后降温至750左右℃,氮气气氛下,压力控制在400mbar左右,生长GaN层5,具体过程如下:生长一层掺杂Si的GaN,约50nm,Si的掺杂浓度:5E+18-7E+18atom/cm3,然后温度压力不变周期性生长由1.5nm左右InxGa(1-x)N:Si(x=0.05-0.08,In的掺杂浓度:1E+18-3E+18atom/cm3)阱层和33.0nm左右的GaN:Si磊组成的多量子阱发光层层,周期数为3-4次,Si的掺杂浓度为1E+17-3E+17,总体厚度控制在163-188nm左右,制程时间控制在40min-50min;
6、然后降温至730左右℃,氮气气氛下,压力控制在400mbar左右,周期性生长由3.5nm左右InyGa(1-y)N(y=0.20-0.23,In的掺杂浓度:1E+21-3E+22atom/cm3)阱层和13.0nm左右的GaN磊组成的多量子阱发光层6,周期数为15次左右,总体厚度控制在250nm左右;
7、然后升温至990℃左右,氮气气氛下,压力控制在200mbar左右,持续生长40nm左右的掺Al、Mg的PAlGaN电子阻挡层7,Mg的掺杂浓度:1E+19-2E+19atom/cm3,Al的掺杂浓度,1E+21-3E+21atom/cm3
8、然后升温至1400℃左右,氢气气氛下,压力控制在200mbar左右,生长150nm左右掺镁的高温P型GaN层8,Mg的掺杂浓度:3E+18-5E+18atom/cm3
9、最后降温至760℃左右,压力控制在700mbar左右,炉内退火25-30min后炉内降温冷却,得到样品1。
实施例二、
运用MOCVD来生长高亮度GaN基LED外延片。采用高纯H2或高纯N2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)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,衬底为(0001)面蓝宝石,反应室压力在150mbar到700mbar之间。具体生长方式如下:
1、首先升温至1100℃左右的氢气气氛下,压力控制在200mbar左右,高温处理蓝宝石衬底10分钟左右;
2、然后降温至550℃左右,氢气气氛下,压力控制在500mbar左右,在蓝宝石衬底上生长厚度为50nm左右的低温缓冲GaN层;
3、然后升温至1250℃左右,保持温度不变,氢气气氛下,压力控制在300mbar左右持续生长4um左右的不掺杂GaN层;
4、保持温度不变,压力控制在300mbar左右,氢气气氛下,接着生长4.0μm左右的持续掺杂硅的N型GaN层,Si的掺杂浓度:5E+18-9E+18atom/cm3
5、保持温度压力气氛不变,生长一层掺杂Si的GaN层,约50nm,Si的掺杂浓度:5E+18-7E+18atom/cm3,再生长一层掺杂Si的AlGaN层,约100nm,Si的掺杂浓度为1E+17-3E+17,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20,再生长一层掺杂Si的GaN层,约20nm,Si的掺杂浓度为1E+17-3E+17,总体厚度控制在163-188nm左右,制程时间控制在5min左右;
6、然后降温至730℃左右,氮气气氛下,压力控制在400mbar左右,周期性生长由3.5nm左右InyGa(1-y)N(y=0.20-0.23,In的掺杂浓度:1E+21-3E+21atom/cm3)阱层和13.0nm左右的GaN磊组成的多量子阱发光层,周期数为15次左右,总体厚度控制在250nm左右,制程时间控制在30min左右;
7、然后升温至990℃左右,氮气气氛下,压力控制在200mbar左右,持续生长40nm左右的掺Al、Mg的PAlGaN电子阻挡层,Mg的掺杂浓度:1E+19-2E+19atom/cm3,Al的掺杂浓度,1E+21-3E+21atom/cm3
8、然后升温至1400℃左右,氢气气氛下,压力控制在200mbar左右,生长150nm左右掺镁的高温P型GaN层,Mg的掺杂浓度:3E+18-5E+18atom/cm3
9、最后降温至760℃左右,压力控制在700mbar左右,炉内退火25-30min后炉内降温冷却,得到样品2。
样品1和样品2的生长参数对比详见下表一。
表一生长参数的对比
将样品1和样品2在相同的前工艺条件下镀ITO层2000埃左右,相同的条件下镀Cr/Pt/Au电极1000埃左右,相同的条件下镀保护层SiO2400埃左右,然后在相同的条件下将样品研磨切割成762μm*762μm(30mi*30mil)的芯片颗粒,然后进行测试。在相同位置各自挑选150颗样品1晶粒和样品2晶粒,在相同的封装工艺下,封装成白光LED。
然后采用积分球在驱动电流350mA条件下测试样品1和样品2的光电性能,然后在400mA横流下烧测500小时,测试器件漏电得到的参数见图3、4、5、6。
图3为样品1和样品2的亮度对比示意图,由图上知,样品1的亮度在500-517mw之间,样品2的亮度在520-528mw之间,优于样品1。
图4为样品1和样品2的反向漏电对比示意图,由图上知,样品1的反向漏电强度在0.0100-0.0200mA之间,样品2的反向漏电强度在0.001-0.004mA之间,强度远小于样品1。
图5是样品1和样品2的ESD良率对比示意图,由图上知,样品1的ESD良率可能低至10%左右,而样品2的ESD良率最低值为80%,整体质量优于样品1。
图6是样品1和样品2的电压对比示意图,由图上知,样品1、样品2的电压数据相差不大,无明显差距。
参见图2,本发明还公开了一种LED外延结构,由下至上依次包括衬,1、低温缓冲GaN层2、不掺杂GaN层3、N型GaN层4、GaN层5、多量子阱发光层6、电子阻挡层7和P型GaN层8,其中,GaN层从下至上依次包括:
掺杂Si的第一GaN层9,厚度为47-52nm,Si的掺杂浓度:5E+18-7E+18atom/cm3
掺杂Si的AlGaN层10,厚度为98-103nm,Si的掺杂浓度:1E+17-3E+17atom/cm3;Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3
掺杂Si的第二GaN层11,厚度为18-22nm,Si的掺杂浓度:1E+17-3E+17atom/cm3
上述三层总体厚度为160-190nm,优选为163-188nm。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,其特征在于,包括衬底处理、生长低温缓冲GaN层、生长不掺杂GaN层、生长N型GaN层、生长GaN层、生长多量子阱发光层、生长电子阻挡层、生长P型GaN层步骤,其中生长GaN层步骤具体为:
A、在1200-1300℃、500mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长一层厚度为47-52nm的掺杂Si的GaN层,Si的掺杂浓度为5E+18-7E+18atom/cm3
B、在上述掺杂Si的GaN层基础上,生长一层厚度为98-103nm的掺杂Si的AlGaN层,Si的掺杂浓度为1E+17-3E+17atom/cm3,Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3
C、在上述掺杂Si的AlGaN层基础上,生长一层厚度为18-22nm的掺杂Si的GaN层,Si的掺杂浓度为1E+17-3E+17atom/cm3
步骤A、B、C所生长的三层的总生长时间为4-5min;总体厚度为160-190nm。
2.根据权利要求1所述的一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,其特征在于,步骤A、B、C所生长的掺杂Si的GaN层、掺杂Si的AlGaN层总厚度为163-188nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,其特征在于,所述生长低温缓冲GaN层步骤为:
在540-560℃、500mbar压力、氢气气氛的反应室内,在衬底上生长厚度为45-55nm的低温缓冲GaN层。
4.根据权利要求1或2所述的一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,其特征在于,所述生长不掺杂GaN层步骤为:
在1200-1300℃,300mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长厚度为3-6μm的不掺杂GaN层。
5.根据权利要求1或2所述的一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,其特征在于,所述生长N型GaN层步骤为:
在1200-1300℃,300mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长厚度为3-6μm的N型GaN层,Si的掺杂浓度:5E+18-9E+18atom/cm3
6.根据权利要求1或2所述的一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,其特征在于,所述生长多量子阱发光层步骤为:
在720-730℃,400mbar压力、氢气气氛的反应室内,周期性生长InyGa(1-y)N阱层和GaN磊层,周期数为14-17次;InyGa(1-y)N阱层的厚度为3.4-3.7nm,GaN磊层的厚度为12.5-13.5nm,总厚度为245-255nm;其中,y=0.20-0.23,InyGa(1-y)N阱层中In的掺杂浓度为1E+21-3E+21atom/cm3
7.根据权利要求1或2所述的一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,其特征在于,所述生长电子阻挡层步骤为:
在980-1010℃,200mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长掺Al、Mg的PAlGaN电子阻挡层,Mg的掺杂浓度为1E+19-2E+19atom/cm3,Al的掺杂浓度为1E+21-3E+21atom/cm3
8.根据权利要求1或2所述的一种提高LED抗静电能力的外延生长方法,其特征在于,所述生长P型GaN层步骤为:
在1380-1410℃,200mbar压力、氢气气氛的反应室内,生长掺Mg的P型GaN层,Mg的掺杂浓度为3E+18-5E+18atom/cm3
9.一种LED外延结构,其特征在于,由下至上依次包括衬底、低温缓冲GaN层、不掺杂GaN层、N型GaN层、GaN层、多量子阱发光层、电子阻挡层和P型GaN层,其中,GaN层从下至上依次包括:
掺杂Si的第一GaN层,厚度为47-52nm,Si的掺杂浓度:5E+18-7E+18atom/cm3
掺杂Si的AlGaN层,厚度为98-103nm,Si的掺杂浓度:1E+17-3E+17atom/cm3;Al的掺杂浓度为1E+20-2E+20atom/cm3
掺杂Si的第二GaN层,厚度为18-22nm,Si的掺杂浓度:1E+17-3E+17atom/cm3
掺杂Si的第一GaN层、掺杂Si的AlGaN层和掺杂Si的第二GaN层的总体厚度为160-190nm。
10.根据权利要求9所述的一种LED外延结构,其特征在于,掺杂Si的第一GaN层、掺杂Si的AlGaN层和掺杂Si的第二GaN层的总体厚度为163-188nm。
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