CN103413880B - 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
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P型AlGaN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P型AlGaN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P型AlGaN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P型AlGaN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P型AlGaN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；
在1200-1300℃、500mbar压力、氢气气氛的反应室内，生长一掺杂Si的第一GaN层；在在上述掺杂Si的GaN层基础上，生长一掺杂Si的AlGaN层；在上述掺杂Si的AlGaN层基础上，生长一掺杂Si的第二GaN层，所述GaN层的总生长时间为4-5min。
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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