專利名稱：一種GaN基發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管及其制造方法，具體涉及一種GaN基 發(fā)光二極管芯片及其化學(xué)氣相沉積外延的生長方法。
背景技術(shù)：
目前，半導(dǎo)體照明的應(yīng)用日益廣泛。GaN基發(fā)光二極管在這一領(lǐng)域得到廣泛研究和 應(yīng)用。GaN基發(fā)光二極管以單色性好、壽命長、響應(yīng)速度快、環(huán)境污染小、安全穩(wěn)定性好等優(yōu) 勢廣泛應(yīng)用于城市景觀、液晶背光、大屏幕顯示、信號指示、室內(nèi)外照明、特種照明等各種領(lǐng) 域。目前GaN基發(fā)光二極管的亮度大約為60至701m/w，與熒光燈相當(dāng)，但因成本關(guān)系仍不 能顯示其室內(nèi)外照明的優(yōu)勢，因此，如何更好的提高GaN基發(fā)光二極管的發(fā)光效率仍是目 前面臨的難點。GaN基發(fā)光二極管主要通過化學(xué)氣相沉積的方法制作。GaN基發(fā)光二極管發(fā)光效 率的提高主要有以下四種方式1.提高GaN基發(fā)光二極管的內(nèi)量子效率，這是通過提高材 料質(zhì)量、提升結(jié)構(gòu)的科學(xué)性來實現(xiàn)；2.提高外部量子效率，是通過改善GaN基發(fā)光二極管外 延芯片的出光面積，或者通過圖形化襯底，或者通過后期加工表面得以實現(xiàn)；3.通過GaN基 發(fā)光二極管外延芯片制程的處理、通過封裝工藝的改進；4. GaN基發(fā)光二極管芯片的出光 表面粗化。其中，GaN基發(fā)光二極管芯片的表面粗化是效率提高較多、制作過程較簡單的方 式。目前，在化學(xué)氣相沉積外延GaN基發(fā)光二極管過程中，化學(xué)氣相沉積外延生長GaN 基發(fā)光二極管的表面粗化是在高溫環(huán)境(例如900°C以上的高溫環(huán)境)下生長的ρ型氮化 鎵層上通過在600-850°C的低溫環(huán)境下生長ρ型GaN形成粗糙表面，這是因為低溫成長容易 在出光表面形成凹陷(pits)，通過控制時間、溫度可以使凹陷變大變深，從而使出光面積增 大，進而提高發(fā)光效率。如圖2所示，現(xiàn)有的化學(xué)氣相沉積外延生長GaN基發(fā)光二極管是在 襯底201上依次形成本征GaN層202、n型GaN層203、n型氮化鎵銦(InGaN)層205、發(fā)光層 206、ρ型氮化鎵鋁(AlGaN)層207和ρ型GaN層208。然后降低環(huán)境溫度至600-850°C，在 ρ型GaN層208上形成粗化的ρ型GaN層210 (其上表面不平坦)。然后通過光刻、刻蝕、鍍 膜等技術(shù)形成Ρ/η臺階、ρ型電極212和η型電極204。該粗化的ρ型GaN層210的上端面 通常具有尖銳的凸起，如圖2所示。然而這樣通過低溫生長粗化的ρ型GaN層210方式會 導(dǎo)致所生長的晶體的缺陷的增多，進而導(dǎo)致晶體質(zhì)量變差，接觸層穩(wěn)定性會降低。同時也導(dǎo) 致GaN基發(fā)光二極管器件的電致發(fā)光特性降低。并且，由于低溫生長的粗化的P型GaN層 210的粗糙表面在微觀上容易形成尖銳的頂角而導(dǎo)致GaN基發(fā)光二極管的抗靜電能力差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種GaN基發(fā)光二極管及其制造方法，由該制造方法制造 的GaN基發(fā)光二極管可以在實現(xiàn)出光表面粗化、提高器件的發(fā)光效率的同時，減少所生長 的P型GaN接觸層的晶體的缺陷，提高ρ型GaN接觸層穩(wěn)定性和GaN基發(fā)光二極管器件的
3電致發(fā)光特性；并且提高GaN基發(fā)光二極管的抗靜電能力。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種GaN基發(fā)光二極管的制造方法，該方法包括在 襯底上依次形成本征氮化鎵層、η型氮化鎵層、η型氮化鎵銦層、發(fā)光層、ρ型氮化鎵鋁層和 第一 P型氮化鎵層，該方法還包括在第一 ρ型氮化鎵層上形成異質(zhì)預(yù)處理層；和在異質(zhì)預(yù)處理層上形成第二 ρ型氮化鎵層。較佳地，異質(zhì)預(yù)處理層是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成的；并 且異質(zhì)預(yù)處理層的厚度為1至2埃。較佳地，形成異質(zhì)預(yù)處理層的原料為硅烷、二環(huán)戊基鎂、二甲基鋅中的一種或者兩 種的組合。較佳地，第二 P型氮化鎵層的與異質(zhì)預(yù)處理層所在側(cè)相反一側(cè)的表面具有多個凸 起；其中多個凸起中的一部分的上端不尖銳。較佳地，第二 ρ型氮化鎵層是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成 的。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種GaN基發(fā)光二極管，包括襯底、本征氮化鎵 層、η型氮化鎵層、η型氮化鎵銦層、發(fā)光層、P型氮化鎵鋁層和第一 P型氮化鎵層，該GaN基 發(fā)光二極管還包括形成在第一 ρ型氮化鎵層上的異質(zhì)預(yù)處理層；和形成在異質(zhì)預(yù)處理層上的第二 ρ型氮化鎵層。較佳地，異質(zhì)預(yù)處理層是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成的；并 且異質(zhì)預(yù)處理層的厚度為1至2埃。較佳地，形成異質(zhì)預(yù)處理層的原料為硅烷、二環(huán)戊基鎂、二甲基鋅中的一種或者兩 種的組合。較佳地，第二 ρ型氮化鎵層的與異質(zhì)預(yù)處理層所在側(cè)相反一側(cè)的表面具有多個凸 起；其中多個凸起中的一部分的上端不尖銳。較佳地，第二 ρ型氮化鎵層是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成 的。


圖1是顯示微觀形貌的根據(jù)本發(fā)明的GaN基發(fā)光二極管100的示意性的側(cè)視圖；圖2是顯示微觀形貌的現(xiàn)有常規(guī)的GaN基發(fā)光二極管200的示意性的側(cè)視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合

本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明的特征、目的以及優(yōu)點通過下面 的描述將變得更加明顯。圖1是顯示微觀形貌的根據(jù)本發(fā)明的GaN基發(fā)光二極管100的示意性的側(cè)視圖； 圖2是顯示微觀形貌的現(xiàn)有常規(guī)的GaN基發(fā)光二極管200的示意性的側(cè)視圖。注意，附圖只是示意性的，并不在尺寸上構(gòu)成限制。這里，方位術(shù)語“上”是以本征氮化鎵層、η型氮化鎵層、η型氮化鎵銦層、發(fā)光層、 P型氮化鎵鋁層和第一 P型氮化鎵層在襯底上依次生長而形成的方向為“上”。即，圖1的 上方為“上”。在本發(fā)明中，GaN基發(fā)光二極管100主要通過化學(xué)氣相沉積的方法制作。本發(fā)明的 GaN基發(fā)光二極管100的制作方法包括在襯底1上依次形成本征GaN層2、η型GaN層3、η 型InGaN層5、發(fā)光層6、ρ型AlGaN層7和第一 ρ型GaN層8。以上各層的形成方法與現(xiàn)有 技術(shù)相同，這里不作詳細說明。其中，發(fā)光層6是多層膜結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的GaN基發(fā)光二極管100的制作方法還包括在第一 ρ型GaN層8上形成 異質(zhì)預(yù)處理層9 ；和在異質(zhì)預(yù)處理層9上形成第二 ρ型GaN層10。其中，異質(zhì)預(yù)處理層9是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成的。所 形成的異質(zhì)預(yù)處理層9的厚度為1至2埃。形成異質(zhì)預(yù)處理層9的原料為硅烷(SiH4)、二 環(huán)戊基鎂(CP2Mg)、二甲基鋅(DMZn)中的一種或者兩種的組合。通過化學(xué)氣相沉積形成異質(zhì)預(yù)處理層9的條件包括形成異質(zhì)預(yù)處理層9時的環(huán) 境溫度在900°C以上。環(huán)境溫度最好是但不限于900°C至1050°C。通過化學(xué)氣相沉積形成 異質(zhì)預(yù)處理層9的條件還包括形成異質(zhì)預(yù)處理層9時的反應(yīng)室的壓力為50torr (托)至 650torro通過化學(xué)氣相沉積形成異質(zhì)預(yù)處理層9的條件還包括形成異質(zhì)預(yù)處理層9時的反 應(yīng)室的壓力為50torr (托)至650torr。通過化學(xué)氣相沉積形成異質(zhì)預(yù)處理層9的條件還包 括形成異質(zhì)預(yù)處理層9反應(yīng)時通入NH3、H2、N2的混合氣體，氣體的每分鐘總量為50slpm (標(biāo) 準(zhǔn)公升每分鐘流量值)至200slpm。具體地說，MV流量為5slpm至50slpm，H2流量為Oslpm 至lOOslpm，NH3流量為Oslpm至150slpm。具體地說，當(dāng)形成異質(zhì)預(yù)處理層9的原料為硅 烷時，化學(xué)氣相沉積生長異質(zhì)預(yù)處理層9時通入預(yù)定濃度的SiH4 = H2混合氣，例如，濃度為 IOOppm至200ppm，流量為IOsccm至200sccm。從而形成異質(zhì)預(yù)處理層9。當(dāng)形成異質(zhì)預(yù)處 理層9的原料為二環(huán)戊基鎂時，化學(xué)氣相沉積生長異質(zhì)預(yù)處理層9時通入預(yù)定濃度的二環(huán) 戊基鎂，例如，其實際摩爾流量為3E-07mOl/min (摩爾每分鐘)至3E-06mOl/min，從而形成 異質(zhì)預(yù)處理層9。當(dāng)形成異質(zhì)預(yù)處理層9的原料為二甲基鋅時，化學(xué)氣相沉積生長異質(zhì)預(yù)處 理層9時通入預(yù)定濃度的二甲基鋅，例如，其濃度為8E-07mol/min至8E-06mol/min，從而 形成異質(zhì)預(yù)處理層9。另外，形成異質(zhì)預(yù)處理層9還可以是SiH4、CP2Mg、DMZn中的兩種的組 合，例如，當(dāng)形成異質(zhì)預(yù)處理層9的原料為CP2Mg和DMZn時，化學(xué)氣相沉積生長異質(zhì)預(yù)處理 層9時通入預(yù)定濃度的CP2Mg和DMZn，例如，實際摩爾流量為6e-07mol/min的Cp2Mg和實 際摩爾流量為8e-07mOl/min的DMZn的共同參與反應(yīng)，從而形成異質(zhì)預(yù)處理層9。由于異質(zhì)預(yù)處理層9是在900°C以上的高溫環(huán)境下通過化學(xué)氣相沉積形成的，異 質(zhì)材料(硅、鎂或鋅)的遷移率得以提升，并且由于原子半徑比較小，容易在第一 P型GaN 層8的上表面的缺陷處結(jié)鍵，填補晶體中的缺陷，最終使得其向上延伸的缺陷發(fā)生偏轉(zhuǎn)、終 止。并且后續(xù)材料(第二 P型GaN層10)生長取向?qū)l(fā)生改變，從而為ρ型粗化GaN層的 外延模式定下基礎(chǔ)。進一步地說，在形成異質(zhì)預(yù)處理層9之后，在異質(zhì)預(yù)處理層9上形成第二 ρ型GaN 層10。與圖2所示的現(xiàn)有的通過在600-850°C的低溫環(huán)境下在ρ型GaN層208上形成粗化 的P型GaN層210不同，本發(fā)明的第二 ρ型GaN層10是在溫度為900°C以上的環(huán)境下以化
5學(xué)氣相沉積的方式形成的。如此生長的第二 P型GaN層10的與異質(zhì)預(yù)處理層9所在側(cè)相 反一側(cè)的表面具有多個凸起101。其中多個凸起101中的一部分的上端不尖銳。較佳地，大 部分甚至全部的凸起101的上端不尖銳。最好是，多個凸起101的上端為平面。如圖1所 示，從所述凸起101的側(cè)面看，所述凸起具有梯形101的形狀。這些凸起101在微觀上的特 征尺寸為例如亞微米級。這些凸起101在微觀上的特征尺寸還可以是為微米級或納米級。由于在900°C以上高溫環(huán)境下化學(xué)氣相沉積生長的第二 ρ型GaN層10的上表面在 微觀上具有上端不尖銳的凸起101，因此，如此制造的第二 ρ型GaN層10抗靜電能力強。另外，由于在化學(xué)氣相沉積生長第一 ρ型GaN層8的環(huán)境溫度為900°C以上，本發(fā) 明生長異質(zhì)預(yù)處理層9和第二 ρ型GaN層10的環(huán)境溫度也為900°C以上，這樣就不需要像 背景技術(shù)那樣降低環(huán)境溫度，從而縮短生產(chǎn)的時間。進一步地說，第二 ρ型GaN層10的生長速率在0.3 μ m/hr (微米每小時)至1 μ m/ hr之間。第二 ρ型GaN層10的厚度在0. 2μπι(微米)至1.7μπι之間。進一步地說，第二 P型GaN層10可以摻雜，也可以為本征GaN層。在摻雜第二 ρ型GaN層10的情況下，最好 是鎂摻雜。Mg摻雜量可以是但不限于在1Ε18至1Ε21之間。在形成第二 ρ型GaN層10之后，在第二 ρ型GaN層10上形成ρ型GaN接觸層11。 P型GaN接觸層11的化學(xué)氣相沉積的外延溫度在900至1050°C之間，ρ型GaN接觸層11的 厚度為5nm至30nm。ρ型GaN接觸層11的表面形貌與，ρ型GaN接觸層11相一致。如圖1所示，本發(fā)明還提供一種GaN基發(fā)光二極管100，包括襯底1、本征氮化鎵層 2、η型氮化鎵層3、η型氮化鎵銦層5、發(fā)光層6、ρ型氮化鎵鋁層7和第一 ρ型氮化鎵層8， 該GaN基發(fā)光二極管100還包括形成在第一 ρ型氮化鎵層8上的異質(zhì)預(yù)處理層9和形成 在異質(zhì)預(yù)處理層9上的第二 ρ型氮化鎵層10。該GaN基發(fā)光二極管100還包括形成在第二 P型氮化鎵層10上的P型氮化鎵接觸層11。較佳地，異質(zhì)預(yù)處理層9是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)的環(huán)境下以化學(xué)氣相沉積的方式 形成的；并且異質(zhì)預(yù)處理層9的厚度為1至2埃。例如，異質(zhì)預(yù)處理層9是在溫度為900°C 以上的環(huán)境下以化學(xué)氣相沉積的方式形成的。較佳地，形成異質(zhì)預(yù)處理層9的材料來源為硅烷、二環(huán)戊基鎂、二甲基鋅中的一種 或者兩種的組合。較佳地，第二 P型氮化鎵層10的與異質(zhì)預(yù)處理層9所在側(cè)相反一側(cè)的表 面具有多個凸起101 ；其中，多個凸起101中的一部分的上端不尖銳。較佳地，第二 ρ型氮化鎵層10是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)的環(huán)境下以化學(xué)氣相沉積的 方式形成的。例如，第二 P型氮化鎵層10是在溫度為900°C以上的環(huán)境下以化學(xué)氣相沉積 的方式形成的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道，要制作一個GaN基發(fā)光二極管，除了上述工藝步驟， 還包括其他的步驟，例如，通過光刻、刻蝕、鍍膜等技術(shù)形成Ρ/η臺階、ρ型電極12和η型電 極4等等，由于這些技術(shù)均為現(xiàn)有技術(shù)且與本發(fā)明的特征無關(guān)，這里不作詳細描述。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以知道，本發(fā)明并不限于上述較佳實施例，在不超過后附的 權(quán)利要求的范圍和本發(fā)明的精神的情況下，本發(fā)明可以進行種種修改。
權(quán)利要求
1.一種GaN基發(fā)光二極管的制造方法，該方法包括在襯底上依次形成本征氮化鎵層、 η型氮化鎵層、η型氮化鎵銦層、發(fā)光層、P型氮化鎵鋁層和第一 P型氮化鎵層，其特征在于， 該方法還包括在所述第一 P型氮化鎵層上形成異質(zhì)預(yù)處理層；和在所述異質(zhì)預(yù)處理層上形成第二 P型氮化鎵層。
2.如權(quán)利要求1所述的GaN基發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述異質(zhì)預(yù)處理 層是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成的；并且所述異質(zhì)預(yù)處理層的厚度為 1至2埃。
3.如權(quán)利要求2所述的GaN基發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，形成所述異質(zhì)預(yù)處 理層的原料為硅烷、二環(huán)戊基鎂、二甲基鋅中的一種或者兩種的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的GaN基發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述第二ρ型氮化 鎵層的與所述異質(zhì)預(yù)處理層所在側(cè)相反一側(cè)的表面具有多個凸起；其中所述多個凸起的上端中的一部分不尖銳。
5.如權(quán)利要求1所述的GaN基發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述第二ρ型氮化 鎵層是在預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成的。
6.一種GaN基發(fā)光二極管，包括襯底、本征氮化鎵層、η型氮化鎵層、η型氮化鎵銦層、 發(fā)光層、P型氮化鎵鋁層和第一 P型氮化鎵層，其特征在于，該GaN基發(fā)光二極管還包括形成在所述第一 P型氮化鎵層上的異質(zhì)預(yù)處理層；和形成在所述異質(zhì)預(yù)處理層上的第二 P型氮化鎵層。
7.如權(quán)利要求6所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于，所述異質(zhì)預(yù)處理層是在預(yù)定的 溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成的；并且所述異質(zhì)預(yù)處理層的厚度為1至2埃。
8.如權(quán)利要求7所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于，形成所述異質(zhì)預(yù)處理層的原料 為硅烷、二環(huán)戊基鎂、二甲基鋅中的一種或者兩種的組合。
9.如權(quán)利要求6所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于，所述第二ρ型氮化鎵層的與所 述異質(zhì)預(yù)處理層所在側(cè)相反一側(cè)的表面具有多個凸起；其中所述多個凸起中的一部分的上端不尖銳。
10.如權(quán)利要求6所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于，所述第二ρ型氮化鎵層是在 預(yù)定的溫度范圍內(nèi)以化學(xué)氣相沉積的方式形成的。
全文摘要
一種GaN基發(fā)光二極管及其制造方法，其中，這種GaN基發(fā)光二極管的制造方法包括在襯底上依次形成本征氮化鎵層、n型氮化鎵層、n型氮化鎵銦層、發(fā)光層、p型氮化鎵鋁層和第一p型氮化鎵層，該方法還包括在第一p型氮化鎵層上形成異質(zhì)預(yù)處理層；和在異質(zhì)預(yù)處理層上形成第二p型氮化鎵層。
文檔編號H01L51/50GK102005512SQ200910194799
公開日2011年4月6日 申請日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者丁成, 劉慰華, 張義穎, 李剛 申請人:上海藍寶光電材料有限公司