CN110364603A - 一种抗静电的外延结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗静电的外延结构及其制作方法,所述外延结构包括依次设于衬底上的缓冲层、N型GaN层、有源层和P型GaN层,其特征在于,所述N型GaN层和有源层之间设有复合层,所述复合层包括若干层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为零,所述第二GaN层和第四GaN层中硅的掺杂浓度小于第三GaN层中硅的掺杂浓度。本发明在所述N型GaN层和有源层之间设有复合层,电流经过复合层之后,可以均匀分布到整个外延结构,从而使电流不会集中在某个区域或点上,进而改善外延结构的抗静电能力,防止有源层被静电击穿。

Description

一种抗静电的外延结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及发光二极管技术领域,尤其涉及一种抗静电的外延结构及其制作方法。
背景技术
LED(Light Emitting Diode,发光二极管)是一种利用载流子复合时释放能量形成发光的半导体器件,LED芯片具有耗电低、色度纯、寿命长、体积小、响应时间快、节能环保等诸多优势。
现有的LED芯片由于外延结构抗静电能力弱,静电电量从U型GaN层注入,其他外延结构未能快速、有效地将电流扩散开,以致电流集中在小区域或一个点上,从而导致该区域电流过大,使得量子阱被烧坏,使芯片失效。如何提高外延结构的抗静电能力,已成为一个急需决绝的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于,提供一种抗静电的外延结构及其制备方法,有效改善外延结构的静电能力,保证电压良好。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种抗静电的外延结构,包括依次设于衬底上的缓冲层、N型GaN层、有源层和P型GaN层,所述N型GaN层和有源层之间设有复合层,所述复合层包括若干层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为零,所述第二GaN层和第四GaN层中硅的掺杂浓度小于第三GaN层中硅的掺杂浓度。
作为上述方案的改进,所述第二GaN层中硅的掺杂浓度为3~5E+15mor,所述第三GaN层的硅掺杂浓度为3~5E+19mor,所述第四GaN层中硅的掺杂浓度均为3~5E+15mor。
作为上述方案的改进,所述第一GaN层的厚度为10~20nm,所述第二GaN层的厚度为10~20nm,所述第三GaN层的厚度为100~150nm,所述第四GaN层的厚度为10~20nm。
作为上述方案的改进,所述复合层包括3-9层硅浓度变化GaN层,所述第一GaN层的厚度为13~18nm,所述第二GaN层的厚度为12~16nm,所述第三GaN层的厚度为110~140nm,所述第四GaN层的厚度为14~18nm。
作为上述方案的改进,所述有源层包括过渡层和量子阱层,所述过渡层和N型GaN层之间设有复合层。
作为上述方案的改进,所述过渡层中In的浓度低于量子阱层中In的浓度,所述过渡层的厚度为3~7nm。
作为上述方案的改进,所述缓冲层和N型GaN层之间设有U型GaN层,所述U型GaN层和N型GaN层之间设有复合层。
作为上述方案的改进,所述U型GaN层快速生长在缓冲层上,厚度为1~2μm。
相应地,本发明还提供了一种抗静电的外延结构的制作方法,包括:
采用MOCVD在衬底上形成缓冲层;
在缓冲层上形成N型GaN;
在N型GaN上形成有源层;
在有源层上形成P型GaN层;
其特征在于,
在缓冲层和有源层之间形成复合层,所述复合层包括若干层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为零,所述第二GaN层和第四GaN层中硅的掺杂浓度小于第三GaN层中硅的掺杂浓度。
作为上述方案的改进,所述复合层的制备方法如下:
周期性开闭硅源开关,以调整MOCVD硅源的通入量;或者,
每隔3~5秒缓慢开闭硅源开关;
所述硅浓度变化GaN层的生长温度为1050±20℃,生长压力为130~150torr。
实施本发明,具有如下有益效果:
本发明提供了一种抗静电的外延结构,包括依次设于衬底上的缓冲层、N型GaN层、有源层和P型GaN层,本发明在所述N型GaN层和有源层之间设有复合层,电流经过复合层之后,可以均匀分布到整个外延结构,从而使电流不会集中在某个区域或点上,进而改善外延结构的抗静电能力,防止有源层被静电击穿。
其中,所述复合层包括若干层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为零,所述第二GaN层和第四GaN层中硅的掺杂浓度小于第三GaN层中硅的掺杂浓度。复合层中Si掺杂浓度由0逐渐变大,到最大,再逐渐变小,到最小,依次交替,可以保证复合层能够对电流进行扩散,同时防止电压过高。
进一步地,本发明在所述缓冲层和N型GaN层之间设有U型GaN层,用于填平缓冲层表面为长平区域,以得到平整的氮化镓表面,便于后续生长其他外延结构,保证外延结构的晶体质量。
其次,本发明在U型GaN层和N型GaN层之间设有复合层,由于N型GaN层的导电性较差,因此电流可以从复合层进行一次扩散,然后再通过设置在N型GaN层和过渡层之间的复合层进行二次扩散,从而改善外延结构的静电能力,防止有源层被静电击穿。
本发明只需调整MOCVD的硅的通入量,就可以形状若干层硅浓度变化GaN层,操作简单,不需增加额外的设备,便于量产。
附图说明
图1是本发明实施例1的外延结构示意图;
图2是实施例1的外延结构的电流扩散示意图;
图3是本发明复合层的结构示意图;
图4是本发明实施例2的外延结构示意图;
图5是实施例2的外延结构的电流扩散示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
参见图1,本发明提供的一种抗静电的外延结构,包括依次设于衬底1上的缓冲层2、N型GaN层3、有源层4和P型GaN层5;其中,所述N型GaN层3和有源层4之间设有复合层6。
参见图2,当ESD测试时,电流方向为由N型GaN层3向有源层4,当电流经过导电性强的层(复合层6)流向导电性较差的层(有源层4)时,电流被横向扩展分流;电流经过复合层之后,可以均匀分布到整个外延结构,从而使电流不会集中在某个区域或点上,进而改善外延结构的抗静电能力,防止有源层被静电击穿。
所述复合层6的材料为氮化镓,由若干层氮化镓组成,每层氮化镓中硅掺杂的浓度不同。具体的,复合层中Si掺杂浓度由0逐渐变大,到最大,再逐渐变小,到最小,依次交替。
参见图3,所述复合层6包括若干层硅浓度变化GaN层61,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层611、设于第一GaN层611上的第二GaN层612、设于第二GaN层612上的第三GaN层613、以及设于第三GaN层613上的第四GaN层614,所述第一GaN层611中硅的掺杂浓度为零,所述第二GaN层612和第四GaN层614中硅的掺杂浓度小于第三GaN层614中硅的掺杂浓度。
需要说明的是,GaN层中Si的掺杂浓度越大,其导电性越强,电阻越小;Si的掺杂浓度越小,其导电性越差,电阻越大。为了保证复合层能够对电流进行扩散,同时防止电压过高,本发明对复合层中的硅掺杂浓度进行了进一步地限定。优选的,所述第二GaN层中硅的掺杂浓度为3~5E+15mor,所述第三GaN层的硅掺杂浓度为3~5E+19mor,所述第四GaN层中硅的掺杂浓度均为3~5E+15mor。若GaN层中硅掺杂浓度超过5E+19mor,GaN层就变成合金,起不到掺杂的作用。
具体的,所述第一GaN层的厚度为10~20nm,所述第二GaN层的厚度为10~20nm,所述第三GaN层的厚度为100~150nm,所述第四GaN层的厚度为10~20nm。
优选的,所述复合层包括3-9层硅浓度变化GaN层,所述第一GaN层的厚度为13~18nm,所述第二GaN层的厚度为12~16nm,所述第三GaN层的厚度为110~140nm,所述第四GaN层的厚度为14~18nm。若硅浓度变化GaN层的数量少于3层,则复合层的厚度小于390nm,则复合层过薄,变成超晶格结构,无法对电流进行扩散;若硅浓度变化GaN层的数量大于9层,则复合层的厚度大于1890nm,则复合层过后,电阻过大,电压不良。更优的,所述复合层包括5层硅浓度变化GaN层。
具体的,所述有源层4包括过渡层和量子阱层,所述过渡层和N型GaN层3之间设有复合6。
所述过渡层是外延生长从N型GaN层到量子阱层的渐变过渡层,也是发光层,厚度为3~7nm,与结构与量子阱层相似,其中,所述过渡层中In的浓度低于量子阱层中In的浓度。所述过渡层不用可以提高芯片的亮度,还可以提高芯片的电流扩展。
参见图4,所述缓冲层2和N型GaN层3之间设有U型GaN层7,所述U型GaN层7和N型GaN层3之间设有复合层6。所述U型GaN层快速生长在缓冲层上,厚度为1-2μm,用于填平缓冲层表面为长平区域,以得到平整的氮化镓表面,便于后续生长其他外延结构,保证外延结构的晶体质量。
由于U型GaN为电子提供层,本发明在U型GaN层和N型GaN层之间设有复合层,参加图5,静电测试时,从U型GaN层注入电流,由于N型GaN层的导电性较差,因此电流可以从复合层6进行一次扩散,然后再通过设置在N型GaN层和过渡层之间的复合层进行二次扩散,从而改善外延结构的静电能力,防止有源层被静电击穿。
所述N型GaN层在高温下生长,掺杂有Si,厚度为3~6μm,为外延结构提供辐射符合载流子。
相应地,本发明还提供了所述的抗静电的外延结构的制作方法,包括:
采用MOCVD在衬底上形成缓冲层;
在缓冲层上形成N型GaN;
在N型GaN上形成有源层;
在有源层上形成P型GaN层;
其特征在于,
调整MOCVD的硅的通入量,在缓冲层和有源层之间形成若干个周期的硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为零,所述第二GaN层和第四GaN层中硅的掺杂浓度小于第三GaN层中硅的掺杂浓度。
具体的,所述硅浓度变化GaN层的生长温度为1050±20℃,生长压力为130~150torr。
本发明只需调整MOCVD的硅的通入量,就可以形状若干层硅浓度变化GaN层,操作简单,不需增加额外的设备,便于量产。
下面将以具体实施例来进一步阐述本发明
实施例1
一种抗静电的外延结构,包括依次设于衬底上的缓冲层、N型GaN层、有源层和P型GaN层,所述N型GaN层和有源层之间设有复合层,所述复合层包括5层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为0,所述第二GaN层中硅的掺杂浓度为3E+15mor,所述第三GaN层的硅掺杂浓度为3E+19mor,所述第四GaN层中硅的掺杂浓度均为3E+15mor。
实施例2
一种抗静电的外延结构,包括依次设于衬底上的缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源层和P型GaN层,所述U型GaN层和N型GaN层之间设有复合层,所述复合层包括5层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为0,所述第二GaN层中硅的掺杂浓度为3E+15mor,所述第三GaN层的硅掺杂浓度为3E+19mor,所述第四GaN层中硅的掺杂浓度均为3E+15mor。
实施例3
一种抗静电的外延结构,包括依次设于衬底上的缓冲层、U型GaN层、N型GaN层、有源层和P型GaN层,所述N型GaN层和有源层之间设有复合层,所述U型GaN层和N型GaN层之间设有复合层,所述复合层包括5层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为0,所述第二GaN层中硅的掺杂浓度为3E+15mor,所述第三GaN层的硅掺杂浓度为3E+19mor,所述第四GaN层中硅的掺杂浓度均为3E+15mor。
对比例1
一种抗静电的外延结构,包括依次设于衬底上的缓冲层、N型GaN层、有源层和P型GaN层。
实施例1-3和对比例1中,衬底、缓冲层、N型GaN层、有源层和P型GaN层的结构均相同,将实施例1-3和对比例1的外延结构制作成尺寸相同的芯片进行光电测试,结果如下:
序号 电压(V) 亮度(Mw) ESD 1KV ESD 1.5KV ESD 2KV
对比例1 3.012 20.45 100% 100% 20%
实施例1 3.014 20.41 100% 100% 80%
实施例2 3.013 20.41 100% 100% 80%
实施例3 3.013 20.43 100% 100% 85%
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种抗静电的外延结构,包括依次设于衬底上的缓冲层、N型GaN层、有源层和P型GaN层,其特征在于,所述N型GaN层和有源层之间设有复合层,所述复合层包括若干层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为零,所述第二GaN层和第四GaN层中硅的掺杂浓度小于第三GaN层中硅的掺杂浓度。
2.如权利要求1所述的抗静电的外延结构,其特征在于,所述第二GaN层中硅的掺杂浓度为3~5E+15mor,所述第三GaN层的硅掺杂浓度为3~5E+19mor,所述第四GaN层中硅的掺杂浓度均为3~5E+15mor。
3.如权利要求2所述的抗静电的外延结构,其特征在于,所述第一GaN层的厚度为10~20nm,所述第二GaN层的厚度为10~20nm,所述第三GaN层的厚度为100~150nm,所述第四GaN层的厚度为10~20nm。
4.如权利要求3所述的抗静电的外延结构,其特征在于,所述复合层包括3-9层硅浓度变化GaN层,所述第一GaN层的厚度为13~18nm,所述第二GaN层的厚度为12~16nm,所述第三GaN层的厚度为110~140nm,所述第四GaN层的厚度为14~18nm。
5.如权利要求1所述的抗静电的外延结构,其特征在于,所述有源层包括过渡层和量子阱层,所述过渡层和N型GaN层之间设有复合层。
6.如权利要求5所述的抗静电的外延结构,其特征在于,所述过渡层中In的浓度低于量子阱层中In的浓度,所述过渡层的厚度为3~7nm。
7.如权利要求5所述的抗静电的外延结构,其特征在于,所述缓冲层和N型GaN层之间设有U型GaN层,所述U型GaN层和N型GaN层之间设有复合层。
8.如权利要求7所述的抗静电的外延结构,其特征在于,所述U型GaN层快速生长在缓冲层上,厚度为1~2μm。
9.如权利要求1-8任一项所述的抗静电的外延结构的制作方法,包括:
采用MOCVD在衬底上形成缓冲层;
在缓冲层上形成N型GaN;
在N型GaN上形成有源层;
在有源层上形成P型GaN层;
其特征在于,
在缓冲层和有源层之间形成复合层,所述复合层包括若干层硅浓度变化GaN层,所述硅浓度变化GaN层包括第一GaN层、设于第一GaN层上的第二GaN层、设于第二GaN层上的第三GaN层、以及设于第三GaN层上的第四GaN层,所述第一GaN层中硅的掺杂浓度为零,所述第二GaN层和第四GaN层中硅的掺杂浓度小于第三GaN层中硅的掺杂浓度。
10.如权利要求9所述的抗静电的外延结构的制作方法,其特征在于,所述复合层的制备方法如下:
周期性开闭硅源开关,以调整MOCVD硅源的通入量;或者,
每隔3~5秒缓慢开闭硅源开关;
所述硅浓度变化GaN层的生长温度为1050±20℃,生长压力为130~150torr。
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