CN110635007A - 一种抗静电外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗静电外延结构及其制备方法，所述外延结构包括衬底，依次设于衬底上的第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述第二半导体层包括P型AlGaN层、P型GaN层和高静电层，所述P型GaN层设置在P型AlGaN层上，所述高静电层插入在P型GaN层中；所述高静电层包括无掺杂GaN层和/或低掺杂GaN层，所述无掺杂GaN层由掺杂浓度为零的GaN制成，所述低掺杂GaN层由掺杂了Mg或Zn的GaN制成，掺杂浓度为a；所述P型GaN层由掺杂了Mg或Zn的GaN制成，掺杂浓度为b，a＜b。本发明在P型GaN层中插入高静电层，有效提高外延结构的抗静电能力。
Description
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外延结构及其制备方法。
背景技术
氮化镓(GaN)是宽禁带材料，电阻率高，GaN基LED芯片在生产、运送过程中产生的静电电荷不易消失，累积到一定程度可以产生很高的静电电压。蓝宝石衬底的LED芯片正负电极位于芯片同一侧，间距很小，因此对静电的承受能力很小，极易被静电击穿失效，影响器件的寿命。
目前传统的GaN基LED外延生长结构过程为：500℃先在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN缓冲层；然后接着在1100℃下生长一层未掺杂的高温GaN；再接着高温生长一层掺杂SiH4的n型GaN层,这一层提供复合发光的电子；然后接着在750～850℃下生长几个周期的GaN/InGaN的量子阱和量子垒作为LED的发光层，该层是GaN基LED外延的核心部分；然后在950℃左右生长掺杂Mg的P型AlGaN层，起到阻挡电子的作用；最后在1000℃左右生长一层掺杂Mg的P型GaN层，这一层提供复合发光的空穴；最后是退火过程。
目前LED外延生长过程中，有源层多采用几个周期结构GaN/InGaN量子阱垒区，电子和空穴在能带较窄的阱层InGaN材料中复合发光。由于两种材料的晶格常数不同容易产生极化效应，引起位错缺陷，如果这种缺陷得不到有效控制，穿过GaN/InGaN量子阱垒区的线位错会导致大量表面缺陷，形成漏电通道，进而影响芯片承受抗静电的能力。所以有效改善有源发光层的结晶质量对提升LED芯片的抗静电能力非常重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种抗静电外延结构及其制备方法，有效提高外延结构的抗静电能力。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗静电外延结构，包括衬底，依次设于衬底上的第一半导体层、有源层和第二半导体层，所述第二半导体层包括P型AlGaN层、P型GaN层和高静电层，所述P型GaN层设置在P型AlGaN层上，所述高静电层插入在P型GaN层中；
所述高静电层包括无掺杂GaN层和/或低掺杂GaN层，所述无掺杂GaN层由掺杂浓度为零的GaN制成，所述低掺杂GaN层由掺杂了Mg或Zn的GaN制成，掺杂浓度为a；
所述P型GaN层由掺杂了Mg或Zn的GaN制成，掺杂浓度为b，a＜b。
作为上述方案的改进，所述高静电层的厚度为P型GaN层的厚度的40％～50％，所述高静电层的厚度为20～100nm。
作为上述方案的改进，所述高静电层将P型GaN层分为第一P型GaN层和第二P型GaN层，其中，第一P型GaN层的掺杂浓度为b1，第二P型GaN层的掺杂浓度为b2，b1≥b2。
作为上述方案的改进，第一P型GaN层的厚度为第二P型GaN层的厚度的1.2～1.5倍。
作为上述方案的改进，所述P型AlGaN层由掺杂了Mg或Zn的AlGaN制成，掺杂浓度为c，c＜b。
作为上述方案的改进，所述第二半导体层包括P型AlGaN层，以及3～8个循环周期的第一P型GaN层、无掺杂GaN层、低掺杂GaN层和第二P型GaN层。
相应地，本发明还提供了一种抗静电外延结构的制备方法，包括以下步骤：
一、在衬底上依次形成缓冲层、UGaN层、第一半导体层和有源层；
二、在温度为700～800℃、压力为200～500mbar的条件下，在有源层上生长厚度为5～10nm的AlGaN，其中，Mg掺杂浓度为1*10E19 atom/cm3，形成P型AlGaN层；
三、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为20～30nm的GaN，其中，Mg的掺杂浓度为1*10E19～1*10E20 atom/cm3，形成第一P型GaN层；
四、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为2～5nm的GaN，形成无掺杂GaN层；
五、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为5～50nm的GaN，其中，Zn或Mg的掺杂浓度为1*10E16～1*10E7 atom/cm3，形成低掺杂GaN层；
六、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为10～20nm的GaN，其中，Mg的掺杂浓度为1*10E18～1*10E19 atom/cm3，形成第二P型GaN层；
七、重复上述步骤三、四、五和六3～8次，形成第二半导体层。
作为上述方案的改进，所述有源层的制备方法如下：
一、在温度为810～860℃、压力为200～500mbar的条件下，生长一层1nm～3nm的GaN，然后再生长一层1nm～3nm调制掺杂的AlGaN，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长2～6个周期，形成量子垒层；
二、在温度为710～760℃、压力为200～500mbar的条件下，在量子垒层上生长一层厚度为2～6nm的InGaN，形成量子阱层；
三、重复步骤一和二9～12次，形成有源层。
作为上述方案的改进，所述第一半导体层的制备方法如下：在温度为1000～1200℃、压力为200～500mbar的条件下，在UGaN层上生长一层10000～30000埃的GaN，其中，Si掺杂浓度为1*10E18～7*10E18 atom/cm3，形成第一半导体层。
作为上述方案的改进，所述缓冲层和UGaN层的制备方法如下：
一、在温度为500～550℃、压力为200～500mbar的条件下，在衬底上生长一层400～600埃的GaN，形成缓冲层；
二、在温度为1000～1200℃、压力为200～500mbar的条件下，在缓冲层上生长一层10000～30000埃的GaN，形成UGaN层。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明在P型GaN层中插入高静电层，会形成三种效应，具体如下：
一、本发明的高静电层由于没有掺杂或掺杂的浓度低于P型GaN层，因此与P型GaN层配合，可以形成更多有效空穴，提高与电子复合的发光效率，又可以降低工作电压，还可以保证晶体质量，一定程度上改善整体的抗静电能力。具体的，由于高静电层的掺杂浓度低，P型GaN层对有源层发出的光吸收变得不明显，因此可以增加P型GaN层的厚度，使得反向静电流不易击穿P型GaN层，提升静电能力。
此外，高静电层将P型GaN层分为第一P型GaN层和第二P型GaN层，第一P型GaN层设置在P型AlGaN层上，由于P型AlGaN层作为电子阻挡层，因此与第一P型GaN层配合，可以降低工作电压。
进一步，所述P型AlGaN层由掺杂了Mg的GaN制成，掺杂浓度为c，其中，c＜b。通过上述掺杂浓度的变化，可以进一步加强第一P型GaN层和P型AlGaN层的配合。
二、由于高静电层插入在P型GaN层中，使得P型GaN层的浓度发生变化，形成高低高的浓度变化，从而产生电容效应。
三、P型GaN层中的浓度变化，同时改变了P型GaN层的电阻高低，在静电电流通过P型GaN层中时，会因此分散开，避免集中烧毁，也提升了可靠度。
附图说明
图1是本发明外延结构的示意图。
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外延结构，包括衬底10，依次设于衬底10上的第一半导体层40、有源层50和第二半导体层60。
本发明的衬底10优选为蓝宝石衬底10，但不限于此。本发明的第一半导体层40为N型GaN层。
为了提高外延结构的晶体质量，减少衬底10和GaN层之间的应力缺陷，所述衬底10和第一半导体层40之间还依次设有缓冲层20和UGaN层30。
本发明的有源层50由若干个周期的量子垒层和量子阱层交替形成，所述量子垒层由GaN/AlGaN超晶格结构组成，所述量子阱层由InGaN组成。本发明的有源层50采用了调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构，这种结构能够有效的引导冲击电流，使脉冲电流在GaN/AlGaN结构的二维电子气中，在横向方向上传导，使得脉冲电流的密度分布更加均匀，从而使LED芯片被击穿的可能性得到很大的降低，可以有效的提升LED芯片的抗静电能力。
本发明有源层50的厚度为200nm～300nm，其中每个周期的量子阱层的厚度为3nm～4nm，每个周期的量子垒层的厚度为12nm～16nm；其中，构成量子垒的超晶格结构中GaN的厚度为1.5nm～3nm，超晶格结构中AlGaN的厚度为1.5nm～3nm。
本发明的第二半导体层60包括P型AlGaN层61、P型GaN层62和高静电层63，所述P型GaN层62设置在P型AlGaN层61上，所述高静电层63插入在P型GaN层62中，所述高静电层63包括无掺杂GaN层和/或低掺杂GaN层。所述无掺杂GaN层由GaN制成，掺杂浓度为零，所述低掺杂GaN层由掺杂了Mg或Zn的GaN制成，掺杂浓度为a；所述P型GaN层由掺杂了Mg或Zn的GaN制成，掺杂浓度为b，其中，a＜b。优选的，所述低掺杂GaN层的掺杂浓度a小于1*1019atom/cm3。
本发明在P型GaN层62中插入高静电层63，会形成三种效应，具体如下：
一、本发明的高静电层63由于没有掺杂或掺杂的浓度低于P型GaN层62，因此与P型GaN层62配合，可以形成更多有效空穴，提高与电子复合的发光效率，又可以降低工作电压，还可以保证晶体质量，一定程度上改善整体的抗静电能力。具体的，由于高静电层63的掺杂浓度低，P型GaN层62对有源层50发出的光吸收变得不明显，因此可以增加P型GaN层62的厚度，使得反向静电流不易击穿P型GaN层62，提升静电能力。此外，高静电层63将P型GaN层62分为第一P型GaN层和第二P型GaN层，第一P型GaN层62设置在P型AlGaN层61上，由于P型AlGaN层61作为电子阻挡层，因此与第一P型GaN层配合，可以降低工作电压。为了进一步加强第一P型GaN层和P型AlGaN层61的配合，优选的，所述P型AlGaN层由掺杂了Mg的AlGaN制成，掺杂浓度为c，其中，c＜b。
二、由于高静电层63插入在P型GaN层62中，使得P型GaN层62的浓度发生变化，形成高低高的浓度变化，从而产生电容效应。
三、P型GaN层62中的浓度变化，同时改变了P型GaN层62的电阻高低，在静电电流通过P型GaN层62中时，会因此分散开，避免集中烧毁，也提升了可靠度。
需要说明的是，P型GaN层62的厚度一般为20～30nm，本发明由于在P型GaN层62插入了一层高静电层63，因此本发明的P型GaN层62厚度可以达到50～200nm，有效提升外延结构的抗静电能力，同时不影响出光效率。只有高静电层63的厚度与P型GaN层62的厚度具有一定比例时，才能在增加P型GaN层62厚度的同时不影响出光效率。具有的，高静电层63的厚度为P型GaN层62的厚度的40％～50％。
优选的，所述高静电层63的厚度为20～100nm。若高静电层63的厚度小于20nm，则厚度太薄，无法提升ESD的效能；若高静电层63的厚度大于100nm，则厚度太厚，影响出光效率。
由于本发明的高静电层63将P型GaN层62分为第一P型GaN层和第二P型GaN层，其中，第一P型GaN层的掺杂浓度为b1，第二P型GaN层的掺杂浓度为b2，为了配合P型AlGaN层和高静电层，以形成良好的掺杂浓度变化，优选的，b1≥b2。更优的，b1＞b2。
由于不同外延层的掺杂浓度变化与厚度变化具有协同作用，为了进一步增加P型GaN层的整体厚度，提高抗静电能力，同时不影响出光效率，在第一P型GaN层的掺杂浓度大于第二P型GaN层掺杂浓度的同时，优选的，第一P型GaN层的厚度为第二P型GaN层的厚度的1.2～1.5倍。根据实验结果表面，上述结构的外延结构，与第一型GaN层的厚度小于等于第二P型GaN层的结构相比，抗静电能力能够提升10％～20％。
更优的，b1≥b2＞a。
需要说明的是，所述P型GaN层62分层中可以插入若干个高静电层63。优选的，本发明的第二半导体层60包括P型AlGaN层61，以及3～8个循环周期的第一P型GaN层、无掺杂GaN层、低掺杂GaN层和第二P型GaN层。更优的，所述第二半导体层60包括P型AlGaN层61，以及3个循环周期的第一P型GaN层、无掺杂GaN层、低掺杂GaN层和第二P型GaN层。
相应地，本发明还提供了一种抗静电外延结构的制备方法，包括以下步骤：
一、在温度为500～550℃、压力为200～500mbar的条件下，在衬底上生长一层400～600埃的GaN，形成缓冲层；
二、在温度为1000～1200℃、压力为200～500mbar的条件下，在缓冲层上生长一层10000～30000埃的GaN，形成UGaN层；
三、在温度为1000～1200℃、压力为200～500mbar的条件下，在UGaN层上生长一层10000～30000埃的GaN，其中，Si掺杂浓度为1*10E18～7*10E18atom/cm3，形成第一半导体层；
四、在第一半导体层上形成有源层；
五、在有源层上形成第二半导体层。
具体的，第二半导体层的制备方法如：
一、在温度为700～800℃、压力为200～500mbar的条件下，在有源层上生长厚度为5～10nm的AlGaN，其中，Mg掺杂浓度为1*10E19 atom/cm3，形成P型AlGaN层；
二、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为20～30nm的GaN，其中，Mg的掺杂浓度为1*10E19～1*10E20 atom/cm3，形成第一P型GaN层；
三、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为2～5nm的GaN，形成无掺杂GaN层；
四、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为5～50nm的GaN，其中，Zn或Mg的掺杂浓度为1*10E16～1*10E7 atom/cm3，形成低掺杂GaN层；
五、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为10～20nm的GaN，其中，Mg的掺杂浓度为1*10E18～1*10E19 atom/cm3，形成第二P型GaN层；
六、重复上述步骤二、三、四、五3～8次，形成第二半导体层。
所述有源层的制备方法如下：
一、在温度为810～860℃、压力为200～500mbar的条件下，生长一层1nm～3nm的GaN，然后再生长一层1nm～3nm调制掺杂的AlGaN，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长2～6个周期，形成量子垒层；
二、在温度为710～760℃、压力为200～500mbar的条件下，在量子垒层上生长一层厚度为2～6nm的InGaN，形成量子阱层；
三、重复步骤一和二9～12次，形成有源层。
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)
1.一种抗静电外延结构，包括衬底，依次设于衬底上的第一半导体层、有源层和第二半导体层，其特征在于，所述第二半导体层包括P型AlGaN层、P型GaN层和高静电层，所述P型GaN层设置在P型AlGaN层上，所述高静电层插入在P型GaN层中；
所述高静电层包括无掺杂GaN层和/或低掺杂GaN层，所述无掺杂GaN层由掺杂浓度为零的GaN制成，所述低掺杂GaN层由掺杂了Mg或Zn的GaN制成，掺杂浓度为a；
所述P型GaN层由掺杂了Mg或Zn的GaN制成，掺杂浓度为b，a＜b。
2.如权利要求1所述的抗静电外延结构，其特征在于，所述高静电层的厚度为P型GaN层的厚度的40％～50％，所述高静电层的厚度为20～100nm。
3.如权利要求2所述的抗静电外延结构，其特征在于，所述高静电层将P型GaN层分为第一P型GaN层和第二P型GaN层，其中，第一P型GaN层的掺杂浓度为b1，第二P型GaN层的掺杂浓度为b2，b1≥b2。
4.如权利要求3所述的抗静电外延结构，其特征在于，第一P型GaN层的厚度为第二P型GaN层的厚度的1.2～1.5倍。
5.如权利要求1所述的抗静电外延结构，其特征在于，所述P型AlGaN层由掺杂了Mg或Zn的AlGaN制成，掺杂浓度为c，c＜b。
6.如权利要求2所述的抗静电外延结构，其特征在于，所述第二半导体层包括P型AlGaN层，以及3～8个循环周期的第一P型GaN层、无掺杂GaN层、低掺杂GaN层和第二P型GaN层。
7.一种抗静电外延结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、在衬底上依次形成缓冲层、UGaN层、第一半导体层和有源层；
二、在温度为700～800℃、压力为200～500mbar的条件下，在有源层上生长厚度为5～10nm的AlGaN，其中，Mg掺杂浓度为1*10E19 atom/cm3，形成P型AlGaN层；
三、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为20～30nm的GaN，其中，Mg的掺杂浓度为1*10E19～1*10E20 atom/cm3，形成第一P型GaN层；
四、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为2～5nm的GaN，形成无掺杂GaN层；
五、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为5～50nm的GaN，其中，Zn或Mg的掺杂浓度为1*10E16～1*10E7 atom/cm3，形成低掺杂GaN层；
六、在温度为800～950℃，压力为200～500mbar的条件下，生长厚度为10～20nm的GaN，其中，Mg的掺杂浓度为1*10E18～1*10E19 atom/cm3，形成第二P型GaN层；
七、重复上述步骤三、四、五和六3～8次，形成第二半导体层。
8.如权利要求7所述的抗静电外延结构的制备方法，其特征在于，所述有源层的制备方法如下：
一、在温度为810～860℃、压力为200～500mbar的条件下，生长一层1nm～3nm的GaN，然后再生长一层1nm～3nm调制掺杂的AlGaN，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长2～6个周期，形成量子垒层；
二、在温度为710～760℃、压力为200～500mbar的条件下，在量子垒层上生长一层厚度为2～6nm的InGaN，形成量子阱层；
三、重复步骤一和二9～12次，形成有源层。
9.如权利要求7所述的抗静电外延结构的制备方法，其特征在于，所述第一半导体层的制备方法如下：在温度为1000～1200℃、压力为200～500mbar的条件下，在UGaN层上生长一层10000～30000埃的GaN，其中，Si掺杂浓度为1*10E18～7*10E18 atom/cm3，形成第一半导体层。
10.如权利要求7所述的抗静电外延结构的制备方法，其特征在于，所述缓冲层和UGaN层的制备方法如下：
一、在温度为500～550℃、压力为200～500mbar的条件下，在衬底上生长一层400～600埃的GaN，形成缓冲层；
二、在温度为1000～1200℃、压力为200～500mbar的条件下，在缓冲层上生长一层10000～30000埃的GaN，形成UGaN层。
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