一種提升GaN基LED芯片抗靜電能力的外延生長(zhǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種新的外延生長(zhǎng)方法，能夠有效的提升LED芯片的ESD。本發(fā)明在生長(zhǎng)n區(qū)和p區(qū)的過(guò)程中，采用了摻雜超晶格結(jié)構(gòu)周期性插入結(jié)構(gòu)。由于超晶格結(jié)構(gòu)能夠改變界面電子和空穴的濃度，電子和空穴在電流作用下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能夠通過(guò)超晶格界面將電流有效地?cái)U(kuò)展；擴(kuò)展后的分散電流較之前更加均勻分布，然后經(jīng)過(guò)下一個(gè)超晶格界面后再重新分布擴(kuò)充。在電子和空穴注入有源區(qū)之前，經(jīng)過(guò)多次的電流擴(kuò)展，能夠極大地提升自身的抗靜電能力；同時(shí)，周期性垂直穿插超晶格使得外延在生長(zhǎng)的過(guò)程中位錯(cuò)和缺陷得到阻擋，尤其是穿透位錯(cuò)極大的減小，減小了漏電通道從而提升了ESD性能。
【專利說(shuō)明】一種提升GaN基LED芯片抗靜電能力的外延生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于LED器件材料制備和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種GaN基LED外延生長(zhǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化鎵基LED作為新一代光源正在被越來(lái)越廣泛的用于在景觀燈、背光源、照明燈領(lǐng)域。目前大多LED都是在硅襯底，或藍(lán)寶石襯底上異質(zhì)外延生長(zhǎng)。由于襯底和生長(zhǎng)材料的晶格適配較大，所以生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)引入很多缺陷和應(yīng)力，導(dǎo)致材料結(jié)晶質(zhì)量差，從而影響整體的光電性能；尤其在大功率的中高檔背光和顯示領(lǐng)域，對(duì)于LED器件的可靠性要求極高，由于目前的外延技術(shù)在生長(zhǎng)大功率LED器件方面，往往ESD (抗靜電能力)偏低，不能滿足產(chǎn)品的要求。
[0003]發(fā)明目的
[0004]為了提升LED的ESD性能，以滿足大功率中高檔產(chǎn)品市場(chǎng)化要求，本發(fā)明提出一種新的外延生長(zhǎng)方法，能夠有效的提升LED芯片的ESD。
[0005]本發(fā)明的基本方案如下:
[0006]該外延生長(zhǎng)方法，包括以下步驟:
[0007](I)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)低溫GaN緩沖層；
[0008](2)生長(zhǎng)高溫GaN層；
[0009](3 )生長(zhǎng)摻雜η型GaN層；
[0010](4)生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱層；
[0011](5)生長(zhǎng)摻雜P型AlGaN層；
[0012](6)生長(zhǎng)摻雜P型GaN ;
[0013](7)最后在氮?dú)夥諊峦嘶穑?br> [0014]其中，步驟(3)在生長(zhǎng)過(guò)程中周期性垂直穿插摻雜η型InGaN/GaN超晶格層
[0015]和/或
[0016]步驟(5)在生長(zhǎng)過(guò)程中周期性垂直穿插摻雜P型AlGaN/GaN超晶格層。
[0017]以上所稱的“高溫”、“低溫”在本領(lǐng)域是具有明確意義的技術(shù)術(shù)語(yǔ)。
[0018]基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定:
[0019]步驟(3)和步驟(5)均在生長(zhǎng)過(guò)程中周期性垂直穿插超晶格層。
[0020]步驟(3)生長(zhǎng)摻雜η型GaN層過(guò)程中，共2_6個(gè)周期垂直穿插η型InGaN/GaN超晶格層，每個(gè)周期生長(zhǎng)的摻雜SiH4的η型GaN本身厚度為200nm ;在相鄰周期GaN層之間，生長(zhǎng)摻雜η型InGaN/GaN超晶格共5_10個(gè)周期，厚度20_50nm。
[0021]步驟(3)中，摻雜SiH4的η型GaN本身的生長(zhǎng)溫度為1030°C;垂直穿插η型InGaN/GaN超晶格層的生長(zhǎng)過(guò)程中，InGaN層的生長(zhǎng)溫度為750°C，GaN層為1000°C。
[0022]步驟(5)生長(zhǎng)摻雜P型AlGaN層過(guò)程中，共3_5個(gè)周期垂直穿插P型AlGaN/GaN超晶格層，每個(gè)周期生長(zhǎng)的摻鎂P型AlGaN本身厚度為50nm ;在相鄰周期AlGaN層之間，生長(zhǎng)摻雜P型AlGaN/GaN超晶格共5_10個(gè)周期，厚度20_50nm。
[0023]步驟(5)中，摻鎂P型AlGaN本身的生長(zhǎng)溫度為900°C ;垂直穿插p型AlGaN/GaN超晶格層的生長(zhǎng)過(guò)程中，AlGaN層和GaN層的生長(zhǎng)溫度均為900°C。
[0024]相應(yīng)的，按照以上方法制得的外延片結(jié)構(gòu)，主要包括依次生長(zhǎng)的以下各層:
[0025]藍(lán)寶石襯底；
[0026]低溫GaN緩沖層；
[0027]高溫GaN 層；
[0028]摻雜η型GaN層；
[0029]InGaN/GaN 多量子阱層；
[0030]摻雜P 型 AlGaN 層；
[0031]摻雜P 型 GaN;
[0032]其中，
[0033]摻雜η型GaN層的結(jié)構(gòu)中，周期性垂直穿插有摻雜η型InGaN/GaN超晶格層
[0034]和/ 或
[0035]摻雜P型AlGaN層的結(jié)構(gòu)中，周期性垂直穿插有摻雜p型AlGaN/GaN超晶格層。
[0036]最好是摻雜η型GaN層的結(jié)構(gòu)和摻雜ρ型AlGaN層的結(jié)構(gòu)中均周期性垂直穿插有超晶格層。
[0037]摻雜η型GaN層的結(jié)構(gòu)中，優(yōu)選限定為共2_6個(gè)周期垂直穿插η型InGaN/GaN超晶格層，每個(gè)周期生長(zhǎng)的摻雜SiH4的η型GaN本身厚度為200nm ;在相鄰周期GaN層之間，生長(zhǎng)摻雜η型InGaN/GaN超晶格共5_10個(gè)周期，厚度20_50nm。
[0038]本發(fā)明的有益效果:
[0039]本發(fā)明在生長(zhǎng)η區(qū)和ρ區(qū)的過(guò)程中，采用了摻雜超晶格結(jié)構(gòu)周期性插入結(jié)構(gòu)。由于超晶格結(jié)構(gòu)能夠改變界面電子和空穴的濃度，電子和空穴在電流作用下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能夠通過(guò)超晶格界面將電流有效地?cái)U(kuò)展；擴(kuò)展后的分散電流較之前更加均勻分布，然后經(jīng)過(guò)下一個(gè)超晶格界面后再重新分布擴(kuò)充。在電子和空穴注入有源區(qū)之前，經(jīng)過(guò)多次的電流擴(kuò)展，能夠極大地提升自身的抗靜電能力；同時(shí)，周期性垂直穿插超晶格使得外延在生長(zhǎng)的過(guò)程中位錯(cuò)和缺陷得到阻擋，尤其是穿透位錯(cuò)極大的減小，減小了漏電通道從而提升了 ESD性能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0040]圖1為本發(fā)明的外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。
[0041]圖2為η型GaN超晶格InGaN/GaN周期插入的結(jié)構(gòu)示意(相當(dāng)于圖1中第4層)。
[0042]圖3為ρ型GaN超晶格AlGaN/GaN周期插入的結(jié)構(gòu)示意(相當(dāng)于圖1中第6層)。
【具體實(shí)施方式】
[0043]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。
[0044]本發(fā)明運(yùn)用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(MOCVD)外延生長(zhǎng)技術(shù)，采用三甲基鎵(TMGa)，三乙基鎵(TEGa)，和三甲基銦(TMIn)，三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)硅烷(SiH4)和二茂鎂(cp2mg)分別提供生長(zhǎng)所需要的鎵源、銦源、鋁源和氮源，其中硅烷和鎂源分別用于η層和ρ層的摻雜。
[0045]實(shí)施例一
[0046]1.將藍(lán)寶石襯底特殊清洗處理后，放入MOCVD設(shè)備在1100°C烘烤10分鐘。
[0047]2.降溫到550°C生長(zhǎng)一層厚度20nm的低溫GaN層，生長(zhǎng)壓力為400torr。
[0048]3.升溫到1020°C生長(zhǎng)一層高溫厚度Ium的未摻雜GaN層，生長(zhǎng)壓力為300torr.[0049]4.溫度1030°C生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫sSiH4的η型GaN層，壓力200torr，生長(zhǎng)η型的GaN厚度200nm左右，然后生長(zhǎng)摻雜η型的InGaN/GaN超晶格5-10個(gè)周期，厚度20_50nm其中InGaN層的生長(zhǎng)溫度為750°C，GaN層為1000°C.然后接著在1030°C生長(zhǎng)η型GaN厚度200nm左右，然后繼續(xù)生長(zhǎng)5_10周期的η型的InGaN/GaN超晶格?？偟腎nGaN/GaN超晶格垂直穿插層2-6層。
[0050]5.在氮?dú)夥諊?，?00torr，850°C生長(zhǎng)一層12nm GaN和750°C生長(zhǎng)一層3nm的InGaN的量子阱壘層。
[0051]6.溫度升至900°C, 150torr,生長(zhǎng)一層摻鎂ρ型AlGaN層，厚度50nm,然后接著生長(zhǎng)摻雜P型的AlGaN/GaN超晶格插入層5_10個(gè)周期厚度20_50nm，生長(zhǎng)溫度均為900°C，然后接著生長(zhǎng)50nm的摻雜AlGaN層。然后接著生長(zhǎng)摻雜ρ型的AlGaN/GaN超晶格插入層5-10個(gè)周期厚度20-50nm?？偟腁lGaN/GaN超晶格穿垂直插層3_5層。
[0052]7.在 900°C，300torr 生長(zhǎng)一層摻鎂 ρ 型 GaN 層，厚度 200nm.[0053]8.在氮?dú)夥諊?，退?0分鐘。
[0054]實(shí)施例二
[0055]1.將藍(lán)寶石襯底特殊清洗處理后，放入MOCVD設(shè)備在1100°C烘烤10分鐘。
[0056]2.降溫到550°C生長(zhǎng)一層厚度20nm的低溫GaN層，生長(zhǎng)壓力為400torr。
[0057]3.升溫到1020°C生長(zhǎng)一層高溫厚度Ium的未摻雜GaN層，生長(zhǎng)壓力為300torr.[0058]4.溫度1030°C生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫sSiH4的η型GaN層，壓力200torr，生長(zhǎng)η型的GaN厚度200nm左右，然后生長(zhǎng)摻雜η型的InGaN/GaN超晶格5-10個(gè)周期，厚度20_50nm其中InGaN層的生長(zhǎng)溫度為750°C，GaN層為1000°C.然后接著在1030°C生長(zhǎng)η型GaN厚度200nm左右，然后繼續(xù)生長(zhǎng)5_10周期的η型的InGaN/GaN超晶格。總的InGaN/GaN超晶格垂直穿插層2-6層。
[0059]5.在氮?dú)夥諊?，?00torr，850°C生長(zhǎng)一層12nm GaN和750°C生長(zhǎng)一層3nm的InGaN的量子阱壘層。
[0060]6.溫度升至 900°C，150torr，生長(zhǎng)一層摻鎂 ρ 型 AlGaN 層，厚度 100_150nm。
[0061]7.在 900°C，300torr 生長(zhǎng)一層摻鎂 ρ 型 GaN 層，厚度 200nm。
[0062]8.在氮?dú)夥諊?，退?0分鐘。
[0063]實(shí)施例三
[0064]1.將藍(lán)寶石襯底特殊清洗處理后，放入MOCVD設(shè)備在1100°C烘烤10分鐘。
[0065]2.降溫到550°C生長(zhǎng)一層厚度20nm的低溫GaN層，生長(zhǎng)壓力為400torr。
[0066]3.升溫到1020°C生長(zhǎng)一層高溫厚度Ium的未摻雜GaN層，生長(zhǎng)壓力為300torr.[0067]4.溫度1030°C生長(zhǎng)一層高溫?fù)诫sSiH4的η型GaN層，壓力200torr，生長(zhǎng)η型的GaN厚度Ium左右。
[0068]5.在氮?dú)夥諊拢?00torr，850°C生長(zhǎng)一層12nm GaN和750°C生長(zhǎng)一層3nm的InGaN的量子阱壘層。
[0069]6.溫度升至900°C，150torr，生長(zhǎng)一層摻鎂ρ型AlGaN層，厚度50nm，然后接著生長(zhǎng)摻雜P型的AlGaN/GaN超晶格插入層5_10個(gè)周期厚度20_50nm，生長(zhǎng)溫度均為900°C，然后接著生長(zhǎng)50nm的摻雜AlGaN層。然后接著生長(zhǎng)摻雜ρ型的AlGaN/GaN超晶格插入層5-10個(gè)周期厚度20-50nm?？偟腁lGaN/GaN超晶格穿垂直插層3_5層。
[0070]7.在 900°C，300torr 生長(zhǎng)一層摻鎂 ρ 型 GaN 層，厚度 200nm。
[0071]8.在氮?dú)夥諊拢嘶?0分鐘。
[0072]通過(guò)對(duì)該外延結(jié)構(gòu)的LED進(jìn)行芯片加工測(cè)試其(ESD)抗靜電能力，采用相同的大功率芯片工藝和測(cè)試條件，實(shí)施例一的LED芯片ESD在3000V和4000V的時(shí)候ESD良率達(dá)到100%和99%。而傳統(tǒng)的外延結(jié)構(gòu)的LED芯片ESD良率在3000V和4000V的時(shí)候則為96%和85%。實(shí)施例一的抗靜電能力明顯提升。
[0073]實(shí)施例二和三的外延結(jié)構(gòu)的LED芯片ESD良率在3000V和4000V的時(shí)候則分別為97%和90%以及98%和92%，也有明顯的提升。
[0074]需要強(qiáng)調(diào)的是，以上實(shí)施例中給出了能夠達(dá)到最佳技術(shù)效果的具體參數(shù)，但這些溫度、厚度、壓力等具體參數(shù)大部分均是參照現(xiàn)有技術(shù)所做的常規(guī)選擇，不應(yīng)視為對(duì)本發(fā)明權(quán)利要求保護(hù)范圍的限制。說(shuō)明書中闡述了本發(fā)明技術(shù)改進(jìn)的原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)能夠認(rèn)識(shí)到在基本方案下對(duì)各具體參數(shù)做適度的調(diào)整仍然能夠基本實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種提升GaN基LED芯片抗靜電能力的外延生長(zhǎng)方法，包括以下步驟: (1)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)低溫GaN緩沖層； (2)生長(zhǎng)高溫GaN層； (3)生長(zhǎng)摻雜η型GaN層； (4)生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱層； (5)生長(zhǎng)摻雜P型AlGaN層； (6)生長(zhǎng)摻雜P型GaN； (7)最后在氮?dú)夥諊峦嘶穑? 其中，步驟(3)在生長(zhǎng)過(guò)程中周期性垂直穿插摻雜η型InGaN/GaN超晶格層 和/或 步驟(5)在生長(zhǎng)過(guò)程中周期性垂直穿插摻雜P型AlGaN/GaN超晶格層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:步驟(3)和步驟(5)均在生長(zhǎng)過(guò)程中周期性垂直穿插超晶格層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:步驟(3)生長(zhǎng)摻雜η型GaN層過(guò)程中，共2-6個(gè)周期垂直穿插η型InGaN/GaN超晶格層，每個(gè)周期生長(zhǎng)的摻雜SiH4的η型GaN本身厚度為200nm ;在相鄰周期GaN層之間，生長(zhǎng)摻雜η型InGaN/GaN超晶格共5_10個(gè)周期，厚度20-50nm。`
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:步驟(3)中，摻雜SiH4的η型GaN本身的生長(zhǎng)溫度為1030°C ;垂直穿插η型InGaN/GaN超晶格層的生長(zhǎng)過(guò)程中，InGaN層的生長(zhǎng)溫度為750°C，GaN層為1000°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:步驟(5)生長(zhǎng)摻雜P型AlGaN層過(guò)程中，共3-5個(gè)周期垂直穿插P型AlGaN/GaN超晶格層，每個(gè)周期生長(zhǎng)的摻鎂P型AlGaN本身厚度為50nm ;在相鄰周期AlGaN層之間，生長(zhǎng)摻雜p型AlGaN/GaN超晶格共5_10個(gè)周期，厚度20-50nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的外延生長(zhǎng)方法，其特征在于:步驟(5)中，摻鎂P型AlGaN本身的生長(zhǎng)溫度為900°C ;垂直穿插P型AlGaN/GaN超晶格層的生長(zhǎng)過(guò)程中，AlGaN層和GaN層的生長(zhǎng)溫度均為900°C。
7.—種能夠提升GaN基LED芯片抗靜電能力的外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括依次生長(zhǎng)的以下各層: 藍(lán)寶石襯底； 低溫GaN緩沖層； 聞溫GaN層； 摻雜η型GaN層； InGaN/GaN多量子阱層； 摻雜P型AlGaN層； 摻雜P型GaN ; 其中， 摻雜η型GaN層的結(jié)構(gòu)中，周期性垂直穿插有摻雜η型InGaN/GaN超晶格層 和/或摻雜P型AlGaN層的結(jié)構(gòu)中，周期性垂直穿插有摻雜P型AlGaN/GaN超晶格層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于:摻雜n型GaN層的結(jié)構(gòu)和摻雜P型AlGaN層的結(jié)構(gòu)中均周期性垂直穿插有超晶格層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的外延片結(jié)構(gòu)，其特征在于:摻雜n型GaN層的結(jié)構(gòu)中，共2_6個(gè)周期垂直穿插n型InGaN/GaN超晶格層，每個(gè)周期生長(zhǎng)的摻雜SiH4的n型GaN本身厚度為200nm ;在相鄰周期GaN層之間，生長(zhǎng)摻雜n型InGaN/GaN超晶格共5_10個(gè)周期，厚度20_50nm。
【文檔編號(hào)】H01L33/04GK103872197SQ201410105466
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】王曉波 申請(qǐng)人:西安神光皓瑞光電科技有限公司