專利名稱：一種發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，特別是指氮化鎵基發(fā)光二極管的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計及其生長方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前基于氮化鎵基發(fā)光二極管(LED)的半導(dǎo)體照明技術(shù)正在向社會生活的各個方面滲透，如景觀照明，特種照明，以及液晶背光源照明等。但是由于三族氮化物固有的缺陷多，位錯密度大，材料質(zhì)量差等問題，造成了基于三族氮化物的半導(dǎo)體照明器件抗靜電能力差，且傳統(tǒng)正裝結(jié)構(gòu)LED器件電流擴(kuò)展能力差，這兩方面極大的限制了其進(jìn)一步進(jìn)入高端應(yīng)用市場。比如在封裝時加入齊納二極管，操作時帶靜電環(huán)等，以及在材料結(jié)構(gòu)中加入各種插入層，或者插入P型AWaN并優(yōu)化其生長條件等等。這些技術(shù)在一定程度上改善了 GaN 基LED的抗靜電性能，但是仍然存在以下弊端
1、工藝復(fù)雜，增加了LED的制作成本；
2、無法同時兼顧效率的提升與抗靜電能力的同時改善，通常是改善效率以犧牲抗靜電能力為代價，或者相反，無法實(shí)現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；
3、插入層工藝會導(dǎo)致生長時間增加，降低了設(shè)備的產(chǎn)能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種能同時改善GaN基LED抗靜電能力與發(fā)光效率的發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法。本發(fā)明包括在襯底上采用金屬有機(jī)化合物物理氣相外延法生長低溫氮化鎵成核層；然后在低溫氮化鎵成核層上生長非故意摻雜氮化鎵層；再在非故意摻雜氮化鎵層上生長N型摻雜的氮化鎵層；生長氮化鋁鎵銦多量子阱發(fā)光層；生長P型摻雜的氮化鎵層；其特征在于在生長氮化鋁鎵銦多量子阱發(fā)光層之前，在N型摻雜的氮化鎵層上由生長N型摻雜的氮化鎵與非摻雜氮化鎵交替的至少兩個周期層組成的結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明通過在IiGaN與發(fā)光層之間插入調(diào)制摻雜的nGaN/uGaN周期性結(jié)構(gòu)來解決 GaN基LED內(nèi)部電容小和電流擴(kuò)展能力差的問題，達(dá)到增大LED的內(nèi)部電容，改善GaN基LED 電流擴(kuò)展能力，從而提高GaN基LED抗靜電能力，且能降低工作電壓，提高發(fā)光效率，工藝簡單，不額外增加生長時間，增大了產(chǎn)能。本發(fā)明所述襯底為藍(lán)寶石、碳化硅、硅、砷化鎵、氧化鋅或鋁酸鋰。本發(fā)明所述襯底為平面襯底，或者表面上制作出規(guī)則或者不規(guī)則形狀的的圖形襯底，所述圖形襯底的底部尺寸為0. 1 lOum，圖形間距為0. 1 5um，圖形高度為0. 1 5um。本發(fā)明在襯底上生長所述低溫氮化鎵成核層的生長溫度為500 600°C，生長壓力為10000 90000Pa,生長厚度為0. Ol 0. 1 μ m。本發(fā)明生長非故意摻雜氮化鎵層的生長溫度為900 1200°C，生長壓力為10000 60000Pa,生長厚度為1 5 μ m。本發(fā)明生長N型摻雜的氮化鎵層的生長溫度為1000 1100°C，生長壓力為 10000 60000Pa，生長厚度為1 5 μ m，其N型摻雜元素為Si或其它能在feiN中作為N型雜質(zhì)的元素。本發(fā)明生長N型GaN與非摻雜GaN交替的周期層的生長溫度為900 1100°C，生長壓力為10000 60000Pa，其中η型摻雜氮化鎵與非摻雜GaN的厚度分別是10 500nm 和10 500nm，周期性結(jié)構(gòu)的周期數(shù)是1 50，其N型摻雜元素為Si或其它能在GaN中作為N型雜質(zhì)的元素，摻雜濃度為IX 1017cnT3-5X 1019CnT3。本發(fā)明生長氮化鋁鎵銦多量子阱發(fā)光層的生長溫度為650 900°C，生長壓力為 20000 60000Pa，多量子阱Al^η^ει^Ν的勢壘厚度為0. 005 0. 05um, Ga1^xInxN量子阱厚度為0. 001 0. Olum，其中多量子阱的對數(shù)為1 30對。本發(fā)明生長P型摻雜的氮化鎵層的生長溫度為800 1100°C，壓力為10000 60000Pa,生長厚度為0. 1 1 μ m。


圖1采用nGaN/uGaN調(diào)制摻雜層LED結(jié)構(gòu)的SIMS測試結(jié)果圖。圖2采用nGaN/uGaN調(diào)制摻雜層的LED結(jié)構(gòu)示意圖。圖3采用nGaN/uGaN調(diào)制摻雜層的LED與參考LED的ESD測試結(jié)果圖。圖4采用nGaN/uGaN調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)的LED與常規(guī)LED的I_V曲線。
具體實(shí)施例方式一、發(fā)光二極管的外延加工步驟原則
1、在藍(lán)寶石、碳化硅、硅、砷化鎵、氧化鋅或鋁酸鋰襯底上生長的低溫氮化鎵成核層，生長溫度為500-600°C，生長壓力為10000-90000Ρει，生長厚度為0. 01-0. Iym02、在低溫氮化鎵成核層上生長非故意摻雜的GaN層，生長溫度為900-1200°C，生長壓力為10000-60000Ρει，生長厚度為1_5μπι。3、在非故意摻雜的GaN層上生長N型摻雜的GaN，生長溫度為1000-1100°C，生長壓力為10000-60000Ρει，生長厚度為1_5 μ m，其N型摻雜元素為Si或其它能在GaN中作為 N型雜質(zhì)的元素。4、在N型摻雜的氮化鎵之上生長N型摻雜GaN與非摻雜GaN交替的周期性結(jié)構(gòu)層， 生長溫度為1000-1100°C，生長壓力為10000-60000Ρει，其中N型摻雜氮化鎵與非摻雜GaN 的厚度分別是10-500nm和10-500nm，周期性結(jié)構(gòu)的周期數(shù)是1-50，其N型摻雜元素為Si 或其它能在GaN中作為N型雜質(zhì)的元素，摻雜濃度為lX1017CnT3-5X1019Cm-3。5、在N型摻雜的GaN上面生長GEt1-JnxN/ (AlxIny(;ai_x_yN)多量子阱發(fā)光區(qū)，生長溫度為650-900°C，生長壓力為20000-60000Ρει，多量子阱的AlxIny(iai_x_yN勢壘厚度為 0. 005-0. 05um, Ga1^xInxN量子阱厚度為0. 001-0. Olum，其中多量子阱的對數(shù)為1-30對。6、在多量子阱區(qū)之上生長ρ型摻雜的氮化鎵層，生長溫度為800-1100°C，壓力為 10000-60000Pa,生長厚度為 0. 1-1 μ m。下面以藍(lán)寶石為襯底，進(jìn)一步詳細(xì)說明示例外延設(shè)備為德國AIXTR0N公司生產(chǎn)的商用機(jī)，型號為Crius 31x2’。所用V族源為氨氣(NH3), III族金屬有機(jī)源材料為三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦(TMh)，除了生長多量子阱區(qū)用N2做載氣外其余層的載氣為H2, ρ型與η型雜質(zhì)分別為Mg、Si。將2英寸的藍(lán)寶石襯底上裝入MOCVD生長設(shè)備后，先升溫到1100°C高溫烘烤，然后反應(yīng)室降溫到560°C生長低溫氮化鋁鎵銦成核層，三甲基鎵的流量為75標(biāo)準(zhǔn)毫升/分鐘，氨氣流量為15標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘，生長時間為100-200S，反應(yīng)室壓力為60000Pa。然后升溫依次進(jìn)行GaN的成核與閉合，生長非故意摻雜GaN層約2um。然后生長η型摻雜的GaN層2um。接下來生長3對摻雜GaN與非摻雜GaN交替的周期性結(jié)構(gòu)，摻雜濃度為 5 X IO1W3, nGaN 與 ufeiN 厚度分別為 20nm 和 lOOnm。接下來降溫到700-900°C，并將系統(tǒng)切換為N2氣氛，壓力為40000Pa，生長氮化鎵
銦/氮化鋁鎵銦多量子阱發(fā)光區(qū)。重新切換氣氛到H2，溫度升高到1000°C生長Mg摻雜的ρ型氮化鎵層0. 2um,即形成完整發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的生長。該調(diào)制摻雜層的引入，同時改善了 GaN基LED的抗靜電能力和發(fā)光效率，制備成 0. 25mmX0. 6mm的背光用LED芯片，其人體模式的抗靜電能力超過6000V，電壓3. 15V低于常規(guī) LED 3. 3V。圖1是所述LED結(jié)構(gòu)SIMS (二次離子質(zhì)譜)測試的結(jié)果，其中η型雜質(zhì)Si的摻雜濃度約6E18cm_3，nGaN與MQWs之間Si摻雜周期性變化的位置就是上面所述的uGaN/nGaN 調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)，其周期數(shù)為3，其中nGaN摻雜濃度約5E18cnT3，厚度約40nm，uGaN非摻雜，厚度約90nm。圖2是所述的完整LED各層結(jié)構(gòu)示意圖，依次是30nm低溫成核層，其上生長2微米厚的非故意摻雜GaN (uGaN)，然后是2微米Si摻雜的nGaN，然后是3對調(diào)制摻雜層，然后是^GaN/GaN多量子阱發(fā)光層，然后是Mg摻雜的ρ型GaN，該結(jié)構(gòu)示意圖和SIMS測試結(jié)果吻合。圖3是采用該結(jié)構(gòu)的LED芯片ESD測試結(jié)果，人體模式6000V條件下，其抗靜電通過率仍高達(dá)96%，顯示出非常優(yōu)異的抗靜電性能。圖4是采用該調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)的LED與普通LED的I-V特性曲線對比，采用該結(jié)構(gòu)的LED在350mA下工作電壓比常規(guī)LED低0. 12V，其開啟電壓基本相同，由此可以認(rèn)為調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)改善了 LED的電流擴(kuò)展能力，降低了電壓。
權(quán)利要求
1、一種發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，包括在襯底上采用金屬有機(jī)化合物物理氣相外延法生長低溫氮化鎵成核層；然后在低溫氮化鎵成核層上生長非故意摻雜氮化鎵層；再在非故意摻雜氮化鎵層上生長N型摻雜的氮化鎵層；生長氮化鋁鎵銦多量子阱發(fā)光層；生長P 型摻雜的氮化鎵層；其特征在于在生長氮化鋁鎵銦多量子阱發(fā)光層之前，在N型摻雜的氮化鎵層上由生長N型摻雜的氮化鎵與非摻雜氮化鎵交替的至少兩個周期層組成的結(jié)構(gòu)層。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，其特征在于所述襯底為藍(lán)寶石、 碳化硅、硅、砷化鎵、氧化鋅或鋁酸鋰。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，其特征在于所述襯底為平面襯底，或者表面上制作出規(guī)則或者不規(guī)則形狀的的圖形襯底，所述圖形襯底的底部尺寸為 0. 1 10um，圖形間距為0. 1 5um，圖形高度為0. 1 5um。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，其特征在于在襯底上生長所述低溫氮化鎵成核層的生長溫度為500 600°C，生長壓力為10000 90000Pa，生長厚度為0. 01 0. Ιμ ο
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，其特征在于所述生長非故意摻雜氮化鎵層的生長溫度為900 1200°C，生長壓力為10000 60000Ρει，生長厚度為1 5 μ m0
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，其特征在于所述生長N型摻雜的氮化鎵層的生長溫度為1000 1100°C，生長壓力為10000 60000Pa，生長厚度為1 5 μ m，其N型摻雜元素為Si或其它能在GaN中作為N型雜質(zhì)的元素。
7、根據(jù)權(quán)利要求1所述發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，其特征在于所述生長N型GaN與非摻雜GaN交替的周期層的生長溫度為900 1100°C，生長壓力為10000 60000Pa，其中 η型摻雜氮化鎵與非摻雜GaN的厚度分別是10 500nm和10 500nm，周期性結(jié)構(gòu)的周期數(shù)是1 50，其N型摻雜元素為Si或其它能在GaN中作為N型雜質(zhì)的元素，摻雜濃度為 lX1017cm_3-5X1019cm_3。
8、根據(jù)權(quán)利要求1所述發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，其特征在于所述生長氮化鋁鎵銦多量子阱發(fā)光層的生長溫度為650 900°C，生長壓力為20000 60000Pa，多量子阱 AlxInyGa1^yN的勢壘厚度為0. 005 0. 05um, Ga1^xInxN量子阱厚度為0. 001 0. Olum，其中多量子阱的對數(shù)為1 30對。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，其特征在于所述生長P型摻雜的氮化鎵層的生長溫度為800 1100°C，壓力為10000 60000Pa，生長厚度為0. 1 1 μ m。
全文摘要
一種發(fā)光二極管的外延生產(chǎn)方法，涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，在襯底上依次生長低溫氮化鋁鎵銦成核層、非故意摻雜氮化鎵層、摻雜氮化鎵層、摻雜的氮化鎵與非摻雜氮化鎵交替的周期性結(jié)構(gòu)層、氮化鎵銦/氮化鎵多量子阱發(fā)光層和摻雜的氮化鎵層。利用本發(fā)明在摻雜GaN與多量子阱發(fā)光區(qū)之間之間插入一摻雜氮化鎵與非摻雜氮化鎵交替生長的周期性結(jié)構(gòu)，可以增大氮化鎵基LED器件的內(nèi)部電容，改善GaN基LED的電流擴(kuò)展能力，從而提高其抗靜電性能，且降低GaN基LED的工作電壓，提高發(fā)光效率。
文檔編號H01L33/00GK102364706SQ201110365009
公開日2012年2月29日 申請日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者李志聰, 李璟, 李盼盼, 李鴻漸, 王國宏 申請人:揚(yáng)州中科半導(dǎo)體照明有限公司