CN1996625A - GaN基光电子器件及其制法 - Google Patents
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Abstract
一种GaN基光电子器件，用MOVPE技术在衬底上生长外延层，外延层包括按序生长的缓冲层，N－型AlaInbGacN层，量子阱组成有源层，P－型AlGaN限制层，P－型GaN层。其缓冲层为复合型缓冲层，包括InxGal－xN层和/或AlyGal－yN层(可Si掺杂)。复合型缓冲层的生长温度为400～800℃；N－型GaN的生长温度为800～1300℃。复合型缓冲层可使N－型GaN层生长较厚，不仅达到降低缺陷密度和防止龟裂，而且优化发光二极管的性能。通过对复合型缓冲层的生长次序、组份和厚度的调整，可分别实现厚的和高质量的N－型GaN，N－型AlGaN，N－型InGaN，和N－型AlInGaN的生长，从而可以极大地提高各种不同波长(如紫外光、兰光和绿光)发光二极管制作的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及广泛意义上的GaN基光电子器件制作及相关的MOVPE生长技术，特别是发光二极管的制作技术。
背景技术
众所周知，掺硅的N-GaN是所有相关的光电子器件的重要基础，通常器件的光学和电学性能是与这一层的晶体质量密切相关的。
如图1所示，一个常规的发光二极管包括蓝宝石衬底(100)和其上用MOVPE技术生长的一组外延层。这些外延层是由以下五层所组成：一个低温缓冲层(110)，一个重掺杂的N-型GaN层(120)，一个由量子阱结构组成的有源区(130)，一个AlGaN限制层(140)，和一个P-型GaN层(150)。
在所有的外延层中，N-型GaN层是很重要的一层，它主要起以下三方面的作用。第一，通常需要N-型GaN层有较高的电导率，这样可以有效地分散电流且具有较低的正向操作电压因而降低能耗。第二，在以蓝宝石为衬底的发光二级管中，N-GaN层也是一个重要的光萃取层，光从N-GaN层侧面的发射是全部光输出的主要部份。因为光折射率的差异，有源区发出的大部分光没办法逃逸出来，所以需要做多方面的努力让芯片发出更多的光。其中之一的努力就是要把芯片加厚，尤其是N-型GaN层的厚度，因为理想状态下光的萃取率与N-型GaN层的厚度成正比。
最后一点但确是最重要的是，因为N-型GaN层是最初生长的“地基”层，它的晶体质量直接影响到后续各层的性能。因此一个高质量的无残余应力的N-型GaN层对于实现一个高性能的发光二极管是必不可少的。
然而，如果用常规的单层GaN[1]或AlN[2]做为低温缓冲层长在蓝宝石衬底上，由于晶格失配，后续的MOVPE生长会很难得到高质量的，足够厚的重掺N-型GaN层。
由于在生长过程中，应力是逐步累积的，当膜的厚度达到了某个值，也称作临界厚度，过大的应力就会破坏晶体键连，从而导致失配位错的出现和薄膜的龟裂。更严重的是，如果N-型GaN层的掺杂浓度很高，比如掺Si或其它杂质，这些替位式的杂质原子会造成晶格大小的进一步变化，从而使龟裂恶化，换句话讲，通常重掺的N-型GaN要比不掺杂的GaN层具有更小的临界厚度。
通常由于晶格失配和热膨胀系数的差异，在高温生长的过程中的应力释放会导致龟裂。重掺杂的较厚的N-型GaN层发生龟裂的几率要比较薄的层大得多。如果杂质是Si的话(Si原子半径比它所替代的Ga原子要小30％)，这种情况会变得尤其严重，。正常情况下如Si的掺杂浓度在5E18cm-3左右，N-型GaN层可长至2到3μm而不发生龟裂。但需要指出的是临界厚度也强烈依赖于生长温度。温度越高，临界厚度越小。
众所周知，位错和龟裂是发光二极管器件的致命缺陷[3]。它们经常直接导致器件的失效，典型的表现为局部发光甚至完全不发光。这些失效大大地降低了成品率，同时也相应地抬高了生产成本。这些缺陷也意味着会更多地会影响器件的可靠性。它们会加速老化进程，缩短器件寿命，从而导致运行过程中的高失效率。有龟裂的发光管通常不能抵抗高压静电放电，这就意味着它们可能会在有静电的环境突然失效。
减少龟裂的常规手段包括适当降低硅的掺杂浓度，降低N-型GaN层生长温度和减少N-型GaN层的厚度，基于前面的讨论，我们已经知道，降低掺杂浓度的害处是N-型GaN层电阻提高，因而会升高正向工作电压Vf。同时减薄N-型GaN厚度，也与我们前面提到的厚N-型GaN层的好处大相径庭。而降低N-型GaN层生长温度则更是会导致电子迁移率下降进而造成正向工作电压升高。
此外，从整体器件性能的角度看，为了进一步降低正向工作电压及功耗，从而减少热效应并提高器件可靠性，应当选择的工艺方向是高温生长，厚N-型GaN及高的掺杂浓度。
综上所述，对于一个用MOVPE生长的发光二极管器件，既然一个厚的重掺的N-型GaN层是必不可少的，那末减轻随之而引发的龟裂问题则变得刻不容缓，这样不仅会改善器件的性能，拓宽工艺条件窗口，也能更好地控制正向电压并从整体上改进产品质量和成品率。
参考文献
[1]美国专利5290393号，发明人：Nakamura等，1994年3月1日。
[2]美国专利4855249号，发明人：Akasaki等，1989年8月8日。
[3]刘恒和阎春辉等，”AlInGaN基发光二极管芯片生产中的问题”，2003年SPIE会议文集第4996卷第125页。
发明内容
本项发明专门探讨和解决了前面提到的在当前LED制作工艺中利用重掺厚N-型GaN的优点而引发的潜在问题。
本项发明包括了使用MOVPE技术生长氮化镓基的器件，尤其是适合用于发光二极管器件的制作。器件结构包括衬底，低温复合缓冲层(LTCB)，N-型GaN层，量子阱有源层，P-型AlGaN限制层以及P-型GaN层。
如上所述，低温复合型缓冲层的使用极大地改进了器件的性能，尤其对于使用较厚的高温生长的重掺N-型GaN层的发光二极管提供进一步提高成品率和可靠性的保障。
后绪的论述和图示会进一步明显地展示本发明所带来的优势和益处。
以下有关本发明的详细论述和图示是为了更清楚地介绍所发明的内容，但并不意味着强调这些是唯一可使用和实施的技术方案。后绪的细节描述详尽地给出了用MOVPE技术生长氮化镓器件比如发光二极管或类似器件的具体步骤。然而，需要指出的是，用其它不同形式来实现相同或相当的功能的结构也同属于本发明的范畴之内。
此外，这里所直接讨论的是用MOVPE技术生长氮化镓基的发光二极管，这仅仅是举例说明的一种方法，而并不意味着限制本发明仅适用于此技术。对于那些本行业的专家来讲，他们会不难理解这一发明也同样适用于其它的沉积生长工艺(比如MBE和HVPE)。同样的，本发明不仅适用于发光二极管的制作，也同样可用于各种其它方面的器件制作。比如本发明可以用来去增强其它GaN基器件的性能和可靠性，包括大功率微波器件和超高功率开关器件。
本发明的主要宗旨是在于利用新型的预先生长的复合型低温缓冲层去获得足够厚的高晶体质量的N-型GaN层从而达到降低缺陷密度和防止龟裂的目的。这些生长在相对低的温度下(400℃到800℃)的复合型缓冲层可以有效地释放它们本身所累积的应力，进而提供一个几乎无残余应力和近晶格匹配的生长基板给后续所要长在其上的外延层。
本发明所提及的低温复合型缓冲层是直接生长在蓝宝石衬底上的。这一复合型缓冲层是由AlyGa1-yN和/或InxGa1-xN薄层所组成，而且它们可以按不同的次序出现，也可以有硅的掺入或不掺。这里用x和y表示元素的组份，它们的范围可以从0到1。
复合缓冲层内各层InxGa1-xN和AlyGa1-yN的厚度需要服从以下的规范。InxGa1-xN的厚度范围应控制在0～1000埃()，而AlyGa1-yN的厚度范围应控制在0～2000埃()，且InxGa1-xN和AlyGa1-yN的厚度不能同时为0。
复合缓冲层通常要在较低的温度条件下完成生长，即低于N-型GaN层的生长温度。通常N-型GaN的理想生长温度大约在800℃到1300℃。复合缓冲层的适宜生长温度则应在400℃到800℃。
另外，这里所述的复合型缓冲层中的InxGa1-xN层或AlyGa1-yN层均可以拓展为广义的AlaInbGacN层，其中a，b，c的范围是0到1，并且a+b+c＝1。
总的来讲，具有较厚N-型GaN层的GaN基发光二极管可从本发明中直接受益。这一复合缓冲层可帮助降低缺陷密度，防止龟裂产生。从而提高产品的成品率。另外，本项针对改善厚N-型GaN层的发明，会进一步帮助优化发光二极管的性能，它们具体体现在以下几个方面：首先高质量的厚N-型GaN由于芯片侧向有效面积的增加而使得光萃取效率提高，而较低的电阻不仅会改善电流分布，也会帮助降低正向工作电压Vf进而减少能量损耗，从而加强器件的可靠性。
更为重要的是，通过对复合型缓冲层的生长次序，组份，和厚度的调整，可分别实现厚的和高质量的N-型GaN，N-型AlGaN，N-型InGaN，和N-型AlInGaN的生长，从而可以极大地提高各种不同波长(如紫外光，兰光，和绿光)发光二极管制作的灵活性。
图1所示的是一个常规发光二极管横切面示意图，如前所述，这一发光二极管的结构包括蓝宝石衬底(100)及一系列由MOVPE技术生长的外延层。外延层包括一个常规的低温缓冲层比如300埃厚的GaN或AlN(110)，一个重掺杂的N-型GaN层(120)，一个由多量子阱组成的有源层(130)，一个P-型AlGaN限制层(140)和一个P-型GaN层(150)。
图2所示的是一个包括本项发明的新型发光二极管结构横切面示意图。这一新型二极管器件包括蓝宝石衬底(200)，以及一系列用MOVPE生长的外延层。其中包括InxGa1-xN/AlyGa1-yN复合型缓冲层(210)，一个重掺杂的N-型AlaInbGacN层(220)，它代表一个广义的N-型GaN层。其中a，b，c的范围是0到1，并且a+b+c＝1.一个由多量子阱组成的有源层(230)，一个P-型AlGaN限制层(240)和一个P-型GaN层(250)。
图3A所示的第一类典型的复合型缓冲层的设计。其次序是先在蓝宝石衬底上生长InxGa1-xN(312a)，然后再生长AlyGa1-yN(314a)层。图3B中所示的结构与次序与3A一致，唯一的区别在于3B中包含了硅掺杂。
图4A所示的是第二类复合型缓冲层的设计。其生长次序的安排与图3的情况正好相反。在这一结构中先生长AlyGa1-yN(412a)层，然后再生长InxGa1-xN(414a)层。图4B中所示的结构与次序与4A一致，所不同的只是4B中包含了硅掺杂。
综上所述，本项发明提供了一个新型的器件结构及相关的MOVPE生长技术用来去克服位错和龟裂的产生。本项发明也同时改善了器件的性能，拓宽了N-型AlaInbGacN层的生长窗口，增强了对正向电压Vf的控制并从整体上改善了产品质量和可靠性。
与现有技术相比，本项发明提供了一种新型的复合型低温缓冲层代替常规的单一缓冲层，用于厚的N-型AlaInbGacN层生长以及相关的GaN基半导体器件的制作。
这一复合型缓冲层可以有效地释放由晶格失配及热膨胀失配所产生的应力，从而达到减少缺陷的形成并防止龟裂的发生。这一生长厚N-型AlaInbGacN层的方法可用于GaN基发光二极管的性能改进以及可靠性的提高。它也同样广泛地适用于其它GaN基器件包括大功率微波器件和开关器件等器件的制作。
附图说明
图1是一个常规的具有低温单层缓冲层的氮化镓基发光二极管器件的横切面示意图。
图2是一个新型的具有低温复合型缓冲层的氮化镓基发光二极管器件的横切面示意图。
图3A和3B所展示的是第一类低温复合型缓冲层的横切面示意图。它包括AlyGa1-yN/InxGa1-xN(InxGa1-xN贴向衬底一侧)两层结构。3A是没有掺硅的，3B则包括了硅掺杂。
图4A和4B所展示的是第二类低温复合型缓冲层的横切面示意图。它包括InxGa1-xN/AlyGa1-yN(AlyGa1-yN贴向衬底一侧)两层。4A是没有掺硅的，4B则包括了硅掺杂。
具体实施方式
实施例1：第一类复合型低温缓冲层
用蓝宝石为衬底，在摄氏500度下用MOVPE方法先生长出一层约50厚的InxGa1-xN层，其组份x为0.15。然后在同一温度下再继续生长一层约250厚的AlyGa1-yN层，其组份y为0.05.这两层合起来就形成了第一类复合型低温缓冲层。通常再经过10分钟1100度高温煺火后就可以在同一高温下开始生长约3μm厚的N-型(Al)GaN层，其中硅的掺杂浓度为5E18cm-3。发光二极管结构的其余部分(量子阱有源区和P-型层)均可在常规条件下完成生长。第一类复合型低温缓冲层适合于蓝色和更短波长发光二极管的制作。
实施例2：第二类复合型低温缓冲层
用蓝宝石为衬底，在摄氏500度下用MOVPE方法先生长出一层约100厚的AlyGa1-yN层，其组份x为0.15.然后在同一温度下再继续生长一层约200厚的InxGa1-xN层，其组份y为0.02。这两层合起来就形成了第二类复合型低温缓冲层。通常再经过10分钟1100度高温煺火后就可以在同一高温下开始生长约3μm厚的N-型(In)GaN层，其中硅的掺杂浓度为5E18cm-3。发光二极管结构的其余部分(量子阱有源区和P-型层)均可在常规条件下完成生长。第二类复合型低温缓冲层适合于绿色和更长波长发光二极管的制作。
Claims (9)
1、一种GaN基光电子器件，包括衬底和在其上的外延层，外延层为一个生长在衬底上的缓冲层，一个生长在缓冲层上的N-型GaN层，一个生长在N-型GaN层上的由单量子阱或多量子阱组成的有源层，一个生长在有源层上的P-型AlGaN限制层，一个生长在P-型AlGaN上的P-型GaN层，其特征在于衬底为蓝宝石，碳化硅，硅以及氧化锌；缓冲层为复合型缓冲层；
所述复合型缓冲层为包括了一个InxGa1-xN层和/或一个AlyGa1-yN层，其中代表元素组份的x和y值范围是0～1；
所述的生长在缓冲层上的N-型GaN层为AlaInbGacN层，其中a，b，c的范围是0到1，并且a+b+c＝1。
2、根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述衬底为蓝宝石。
3、根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述复合型缓冲层中InxGa1-xN贴向衬底一侧或AlyGa1-yN贴向衬底一侧。
4、根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述复合型缓冲层中InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层均有掺杂，其掺杂的状态由Si:InxGa1-xN和Si:AlyGa1-yN来表示。
5、根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述复合型缓冲层中InxGa1-xN层或AlyGa1-yN层有掺杂，其掺杂的状态由Si:InxGa1-xN或Si:AlyGa1-yN来表示。
6、根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述复合型缓冲层中InxGa1-xN层的厚度范围是0～1000，AlyGa1-yN层的厚度范围是0～2000；且厚度取值不能同时为0。
7、根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述复合型缓冲层中的InxGa1-xN层和/或AlyGa1-yN层为AlaInbGacN层，其中a，b，c的范围是0到1，并且a+b+c＝1。
8、根据权利要求1～6中任一项所述GaN基光电子器件，其特征在于所述GaN基光电子器件为发光二极管。
9、一种GaN基光电子器件的制法，其特征在于是用MOVPE技术再衬底上生长外延层，其中复合型缓冲层的生长温度为400～800℃；N-型GaN的生长温度为800℃到1300℃。
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