CN103872197B - 一种提升GaN基LED芯片抗静电能力的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种新的外延生长方法，能够有效的提升LED芯片的ESD。本发明在生长n区和p区的过程中，采用了掺杂超晶格结构周期性插入结构。由于超晶格结构能够改变界面电子和空穴的浓度，电子和空穴在电流作用下运动过程中，能够通过超晶格界面将电流有效地扩展；扩展后的分散电流较之前更加均匀分布，然后经过下一个超晶格界面后再重新分布扩充。在电子和空穴注入有源区之前，经过多次的电流扩展，能够极大地提升自身的抗静电能力；同时，周期性垂直穿插超晶格使得外延在生长的过程中位错和缺陷得到阻挡，尤其是穿透位错极大的减小，减小了漏电通道从而提升了ESD性能。
Description
技术领域
本发明属于LED器件材料制备和结构设计技术领域,具体涉及一种GaN基LED外延生长方法。
背景技术
氮化镓基LED作为新一代光源正在被越来越广泛的用于在景观灯、背光源、照明灯领域。目前大多LED都是在硅衬底，或蓝宝石衬底上异质外延生长。由于衬底和生长材料的晶格适配较大，所以生长过程中会引入很多缺陷和应力，导致材料结晶质量差，从而影响整体的光电性能；尤其在大功率的中高档背光和显示领域，对于LED器件的可靠性要求极高，由于目前的外延技术在生长大功率LED器件方面，往往ESD(抗静电能力)偏低，不能满足产品的要求。
发明目的
为了提升LED的ESD性能，以满足大功率中高档产品市场化要求，本发明提出一种新的外延生长方法，能够有效的提升LED芯片的ESD。
本发明的基本方案如下：
该外延生长方法，包括以下步骤：
（1）在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层；
（2）生长高温GaN层；
（3）生长掺杂n型GaN层；
（4）生长InGaN/GaN多量子阱层；
（5）生长掺杂p型AlGaN层；
（6）生长掺杂p型GaN；
（7）最后在氮气氛围下退火；
其中，步骤（3）在生长过程中周期性垂直穿插掺杂n型InGaN/GaN超晶格层
和/或
步骤（5）在生长过程中周期性垂直穿插掺杂p型AlGaN/GaN超晶格层。
以上所称的“高温”、“低温”在本领域是具有明确意义的技术术语。
基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定：
步骤（3）和步骤（5）均在生长过程中周期性垂直穿插超晶格层。
步骤（3）生长掺杂n型GaN层过程中，共2-6个周期垂直穿插n型InGaN/GaN超晶格层，每个周期生长的掺杂SiH4的n型GaN本身厚度为200nm；在相邻周期GaN层之间，生长掺杂n型InGaN/GaN超晶格共5-10个周期，厚度20-50nm。
步骤（3）中，掺杂SiH4的n型GaN本身的生长温度为1030℃；垂直穿插n型InGaN/GaN超晶格层的生长过程中，InGaN层的生长温度为750℃，GaN层为1000℃。
步骤（5）生长掺杂p型AlGaN层过程中，共3-5个周期垂直穿插p型AlGaN/GaN超晶格层，每个周期生长的掺镁p型AlGaN本身厚度为50nm；在相邻周期AlGaN层之间，生长掺杂p型AlGaN/GaN超晶格共5-10个周期，厚度20-50nm。
步骤（5）中，掺镁p型AlGaN本身的生长温度为900℃；垂直穿插p型AlGaN/GaN超晶格层的生长过程中，AlGaN层和GaN层的生长温度均为900℃。
相应的，按照以上方法制得的外延片结构，主要包括依次生长的以下各层：
蓝宝石衬底；
低温GaN缓冲层；
高温GaN层；
掺杂n型GaN层；
InGaN/GaN多量子阱层；
掺杂p型AlGaN层；
掺杂p型GaN；
其中，
掺杂n型GaN层的结构中，周期性垂直穿插有掺杂n型InGaN/GaN超晶格层
和/或
掺杂p型AlGaN层的结构中，周期性垂直穿插有掺杂p型AlGaN/GaN超晶格层。
最好是掺杂n型GaN层的结构和掺杂p型AlGaN层的结构中均周期性垂直穿插有超晶格层。
掺杂n型GaN层的结构中，优选限定为共2-6个周期垂直穿插n型InGaN/GaN超晶格层，每个周期生长的掺杂SiH4的n型GaN本身厚度为200nm；在相邻周期GaN层之间，生长掺杂n型InGaN/GaN超晶格共5-10个周期，厚度20-50nm。
本发明的有益效果：
本发明在生长n区和p区的过程中，采用了掺杂超晶格结构周期性插入结构。由于超晶格结构能够改变界面电子和空穴的浓度，电子和空穴在电流作用下运动过程中，能够通过超晶格界面将电流有效地扩展；扩展后的分散电流较之前更加均匀分布，然后经过下一个超晶格界面后再重新分布扩充。在电子和空穴注入有源区之前，经过多次的电流扩展，能够极大地提升自身的抗静电能力；同时，周期性垂直穿插超晶格使得外延在生长的过程中位错和缺陷得到阻挡，尤其是穿透位错极大的减小，减小了漏电通道从而提升了ESD性能。
附图说明
图1为本发明的外延生长结构。
图2为n型GaN超晶格InGaN/GaN周期插入的结构示意（相当于图1中第4层）。
图3为p型GaN超晶格AlGaN/GaN周期插入的结构示意（相当于图1中第6层）。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的阐述。
本发明运用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）外延生长技术，采用三甲基镓（TMGa），三乙基镓(TEGa)，和三甲基铟（TMIn）,三甲基铝(TMAl)和氨气（NH3）硅烷（SiH4）和二茂镁(cp2mg)分别提供生长所需要的镓源、铟源、铝源和氮源，其中硅烷和镁源分别用于n层和p层的掺杂。
实施例一
1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温到550℃生长一层厚度20nm的低温GaN层，生长压力为400torr。
3.升温到1020℃生长一层高温厚度1um的未掺杂GaN层，生长压力为300torr.
4.温度1030℃生长一层高温掺杂SiH4的n型GaN层，压力200torr,生长n型的GaN厚度200nm左右，然后生长掺杂n型的InGaN/GaN超晶格5-10个周期，厚度20-50nm其中InGaN层的生长温度为750℃，GaN层为1000℃.然后接着在1030℃生长n型GaN厚度200nm左右，然后继续生长5-10周期的n型的InGaN/GaN超晶格。总的InGaN/GaN超晶格垂直穿插层2-6层。
5.在氮气氛围下，在400torr,850℃生长一层12nm GaN和750℃生长一层3nm的InGaN的量子阱垒层。
6.温度升至900℃，150torr,生长一层掺镁p型AlGaN层，厚度50nm,然后接着生长掺杂p型的AlGaN/GaN超晶格插入层5-10个周期厚度20-50nm，生长温度均为900℃，然后接着生长50nm的掺杂AlGaN层。然后接着生长掺杂p型的AlGaN/GaN超晶格插入层5-10个周期厚度20-50nm。总的AlGaN/GaN超晶格穿垂直插层3-5层。
7.在900℃，300torr生长一层掺镁p型GaN层，厚度200nm.
8.在氮气氛围下，退火20分钟。
实施例二
1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温到550℃生长一层厚度20nm的低温GaN层，生长压力为400torr。
3.升温到1020℃生长一层高温厚度1um的未掺杂GaN层，生长压力为300torr.
4.温度1030℃生长一层高温掺杂SiH4的n型GaN层，压力200torr,生长n型的GaN厚度200nm左右，然后生长掺杂n型的InGaN/GaN超晶格5-10个周期，厚度20-50nm其中InGaN层的生长温度为750℃，GaN层为1000℃.然后接着在1030℃生长n型GaN厚度200nm左右，然后继续生长5-10周期的n型的InGaN/GaN超晶格。总的InGaN/GaN超晶格垂直穿插层2-6层。
5.在氮气氛围下，在400torr,850℃生长一层12nm GaN和750℃生长一层3nm的InGaN的量子阱垒层。
6.温度升至900℃，150torr,生长一层掺镁p型AlGaN层，厚度100-150nm。
7.在900℃，300torr生长一层掺镁p型GaN层，厚度200nm。
8.在氮气氛围下，退火20分钟。
实施例三
1.将蓝宝石衬底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1100℃烘烤10分钟。
2.降温到550℃生长一层厚度20nm的低温GaN层，生长压力为400torr。
3.升温到1020℃生长一层高温厚度1um的未掺杂GaN层，生长压力为300torr.
4.温度1030℃生长一层高温掺杂SiH4的n型GaN层，压力200torr,生长n型的GaN厚度1um左右。
5.在氮气氛围下，在400torr,850℃生长一层12nm GaN和750℃生长一层3nm的InGaN的量子阱垒层。
6.温度升至900℃，150torr,生长一层掺镁p型AlGaN层，厚度50nm,然后接着生长掺杂p型的AlGaN/GaN超晶格插入层5-10个周期厚度20-50nm，生长温度均为900℃，然后接着生长50nm的掺杂AlGaN层。然后接着生长掺杂p型的AlGaN/GaN超晶格插入层5-10个周期厚度20-50nm。总的AlGaN/GaN超晶格穿垂直插层3-5层。
7.在900℃，300torr生长一层掺镁p型GaN层，厚度200nm。
8.在氮气氛围下，退火20分钟。
通过对该外延结构的LED进行芯片加工测试其（ESD）抗静电能力，采用相同的大功率芯片工艺和测试条件，实施例一的LED芯片ESD在3000V和4000V的时候ESD良率达到100%和99%。而传统的外延结构的LED芯片ESD良率在3000V和4000V的时候则为96%和85%。实施例一的抗静电能力明显提升。
实施例二和三的外延结构的LED芯片ESD良率在3000V和4000V的时候则分别为97%和90%以及98%和92%，也有明显的提升。
需要强调的是，以上实施例中给出了能够达到最佳技术效果的具体参数，但这些温度、厚度、压力等具体参数大部分均是参照现有技术所做的常规选择，不应视为对本发明权利要求保护范围的限制。说明书中阐述了本发明技术改进的原理，本领域技术人员应当能够认识到在基本方案下对各具体参数做适度的调整仍然能够基本实现本发明的目的。
Claims (7)
1.一种提升GaN基LED芯片抗静电能力的外延生长方法，包括以下步骤：
(1)在蓝宝石衬底上生长低温GaN缓冲层；
(2)生长高温GaN层；
(3)生长掺杂n型GaN层；
(4)生长InGaN/GaN多量子阱层；
(5)生长掺杂p型AlGaN层；
(6)生长掺杂p型GaN；
(7)最后在氮气氛围下退火；
其中，步骤(3)在生长过程中周期性垂直穿插掺杂n型InGaN/GaN超晶格层，且步骤(5)在生长过程中周期性垂直穿插掺杂p型AlGaN/GaN超晶格层。
2.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：步骤(3)生长掺杂n型GaN层过程中，共2-6个周期垂直穿插n型InGaN/GaN超晶格层，每个周期生长的掺杂SiH4的n型GaN本身厚度为200nm；在相邻周期GaN层之间，生长掺杂n型InGaN/GaN超晶格共5-10个周期，厚度20-50nm。
3.根据权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于：步骤(3)中，掺杂SiH4的n型GaN本身的生长温度为1030℃；垂直穿插n型InGaN/GaN超晶格层的生长过程中，InGaN层的生长温度为750℃，GaN层为1000℃。
4.根据权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于：步骤(5)生长掺杂p型AlGaN层过程中，共3-5个周期垂直穿插p型AlGaN/GaN超晶格层，每个周期生长的掺镁p型AlGaN本身厚度为50nm；在相邻周期AlGaN层之间，生长掺杂p型AlGaN/GaN超晶格共5-10个周期，厚度20-50nm。
5.根据权利要求4所述的外延生长方法，其特征在于：步骤(5)中，掺镁p型AlGaN本身的生长温度为900℃；垂直穿插p型AlGaN/GaN超晶格层的生长过程中，AlGaN层和GaN层的生长温度均为900℃。
6.一种能够提升GaN基LED芯片抗静电能力的外延片结构，其特征在于，包括依次生长的以下各层：
蓝宝石衬底；
低温GaN缓冲层；
高温GaN层；
掺杂n型GaN层；
InGaN/GaN多量子阱层；
掺杂p型AlGaN层；
掺杂p型GaN；
其中，掺杂n型GaN层的结构中，周期性垂直穿插有掺杂n型InGaN/GaN超晶格层，且掺杂p型AlGaN层的结构中，周期性垂直穿插有掺杂p型AlGaN/GaN超晶格层。
7.根据权利要求6所述的外延片结构，其特征在于：掺杂n型GaN层的结构中，共2-6个周期垂直穿插n型InGaN/GaN超晶格层，每个周期生长的掺杂SiH4的n型GaN本身厚度为200nm；在相邻周期GaN层之间，生长掺杂n型InGaN/GaN超晶格共5-10个周期，厚度20-50nm。
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| CN103872197A (zh) | 2014-06-18 |
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