CN102214740A - 一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，包括：选择一衬底；在该衬底上生长一氮化镓成核层；在该氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；在该非故意掺杂氮化镓层上生长一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层；在该氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层上生长N型掺杂的氮化镓层；在该N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；在该氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层；以及在该P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层。利用本发明，可以调制外延层中因为晶格失配带来的应力，同时使GaN外延层中的位错转向、合并，从而降低后续生长的外延层中穿透位错的密度，改善材料质量，提高发光二极管的抗静电能力。
Description
技术领域
本发明属于氮化镓基发光二极管制备技术领域，特别是一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法。
背景技术
当前基于氮化镓基发光二极管(LED)的半导体照明技术正在向社会生活的各个方面渗透，如景观照明，特种照明，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，位错密度大，材料质量差等问题，造成了基于三族氮化物的半导体照明器件抗静电能力差，限制了其进一步进入高端应用市场。半导体照明要想进入通用照明，除了效率需要不断提高外，抗静电能力提高也是一个十分迫切的需求。
目前针对GaN基LED抗静电能力差的问题，人们提出了很多的解决办法，比如在封装时加入齐纳二极管，操作时带静电环等，以及在材料结构中加入低掺杂的电流扩展层等。但是，由于这些方法或是通过外在手段对LED芯片进行静电保护，减低静电伤害，同时也增加了LED制作成本；或是通过电流扩展，而不是从根本上对晶体质量的提高，只在一定程度上改善LED抗静电能力，也存在着较严重的静电积累伤害，所以上述方法存在以下缺陷：
1，增加LED制作成本；
2，抗静电能力尚待提高；
3，存在较严重的静电积累伤害。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，通过在非故意掺杂GaN与掺杂GaN之间插入一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层，调制和释放外延层中因为晶格失配带来的应力，并使GaN外延层中的位错转向、合并，降低后续生长的外延层中穿透位错的密度，解决外延材料质量差的问题，达到改善材料质量，提高发光二极管的抗静电能力的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，包括：
选择一衬底；
在该衬底上生长一氮化镓成核层；
在该氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；
在该非故意掺杂氮化镓层上生长一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层；
在该氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层上生长N型掺杂的氮化镓层；
在该N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；
在该氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层，该氮化铝镓铟层为单层或者不同组分与厚度的氮化铝镓铟多层结构；以及
在该P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层。
上述方案中，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂。或者，所述衬底为平面衬底，或者表面上制作出规则或者不规则形状的的图形衬底，图形衬底的特征尺寸如下：图形底部尺寸为0.1-10μm，图形间距为0.1-5μm，图形高度为0.1-5μm。
上述方案中，所述在衬底上生长一氮化镓成核层采用金属有机化合物物理气相外延法，生长温度为500-600℃，生长压力为10000-90000Pa，生长厚度为0.01-0.1μm。
上述方案中，所述在氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层的步骤中，生长温度为900-1200℃，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1-5μm。
上述方案中，所述在非故意掺杂氮化镓层上生长一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层的步骤中，生长温度为1000-1100℃，生长压力为5000-40000Pa，每对超晶格单元的厚度为0.001-0.1μm，超晶格对数为1-100对，该超晶格是n型掺杂的或者是非掺杂的，n型掺杂的元素为硅。
上述方案中，所述在氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层上生长N型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为1000-1100℃，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1-5μm，其n型掺杂元素为Si。
上述方案中，所述在N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层的步骤中，氮化铝镓铟多量子阱发光层为Ga1-xInxN/AlxInyGa1-x-yN多量子阱发光层，生长温度为650-900℃，生长压力为20000-60000Pa，多量子阱的AlxInyGa1-x-yN势垒厚度为0.005-0.05μm，Ga1-xInxN量子阱厚度为0.001-0.01μm，其中多量子阱的对数为1-30对。
上述方案中，所述在氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层的步骤中，P型掺杂的氮化铝镓铟层为p型掺杂的AlxInyGa1-x-yN层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，生长温度为900-1100℃，压力为5000-40000Pa，该氮化铝镓铟层是单层材料，或者是不同组分的AlxInyGa1-x-yN叠层结构；对于单层材料，其厚度为0.005-0.1μm；对于叠层结构，其单层厚度为0.001μm-0.1μm，叠层结构对数为2到30对；该氮化铝镓铟层的杂质原子为镁或锌。
上述方案中，在P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为800-1100℃，压力为10000-60000Pa，生长厚度为0.1-1μm。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，由于根本上改善了LED各层的材料质量，所以能很好的提高LED的抗静电能力。
2、利用本发明，由于根本上了改善LED各层的材料质量，尤其是发光区的材料质量，所以该LED结构有很好的降低静电积累伤害。
3、利用本发明，由于是通过LED本身材料质量提高来改善抗静电能力，所以不需要外在手段，有利于在LED的后道制程中降低成本。
附图说明
图1是本发明提供的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法流程图；
图2是依照本发明实施例AlGaN/GaN超晶格插入层的透射电子显微镜形貌；
图3是依照本发明实施例采用AlGaN/GaN超晶格的GaN基LED抗静电测试结果。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明关键在于从外延生长机理与外延层位错控制上着手，通过引入氮化铝镓/氮化镓超晶格改变外延层中位错的分布，使其转向、合并，进而降低后续生长的GaN材料中的位错密度，提高材料质量，提高发光二极管的抗静电能力。
本发明提供的这种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，通过在非故意掺杂GaN与掺杂GaN之间插入一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层，调制外延层中的晶格匹配与应力，使GaN外延层中的位错转向、合并，从而降低后续生长的外延层中穿透位错的密度，改善材料质量，提高发光二极管的抗静电能力。
如图1所示，图1是本发明提供的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法流程图，该方法包括：选择一衬底；在该衬底上生长一氮化镓成核层；在该氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；在该非故意掺杂氮化镓层上生长一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层；在该氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层上生长N型掺杂的氮化镓层；在该N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；在该氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层，该氮化铝镓铟层为单层或者不同组分与厚度的氮化铝镓铟多层结构；以及在该P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层。
其中，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂。或者，所述衬底为平面衬底，或者表面上制作出规则或者不规则形状的的图形衬底，图形衬底的特征尺寸如下：图形底部尺寸为0.1-10μm，图形间距为0.1-5μm，图形高度为0.1-5μm。
所述在衬底上生长一氮化镓成核层采用金属有机化合物物理气相外延法，生长温度为500-600℃，生长压力为10000-90000Pa，生长厚度为0.01-0.1μm。
所述在氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层的步骤中，生长温度为900-1200℃，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1-5μm。
所述在非故意掺杂氮化镓层上生长一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层的步骤中，生长温度为1000-1100℃，生长压力为5000-40000Pa，每对超晶格单元的厚度为0.001-0.1μm，超晶格对数为1-100对，该超晶格是n型掺杂的或者是非掺杂的，n型掺杂的元素为硅。
所述在氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层上生长N型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为1000-1100℃，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1-5μm，其n型掺杂元素为Si。
所述在N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层的步骤中，氮化铝镓铟多量子阱发光层为Ga1-xInxN/AlxInyGa1-x-yN多量子阱发光层，生长温度为650-900℃，生长压力为20000-60000Pa，多量子阱的AlxInyGa1-x-yN势垒厚度为0.005-0.05μm，Ga1-xInxN量子阱厚度为0.001-0.01μm，其中多量子阱的对数为1-30对。
所述在氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层的步骤中，P型掺杂的氮化铝镓铟层为p型掺杂的AlxInyGa1-x-yN层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，生长温度为900-1100℃，压力为5000-40000Pa，该氮化铝镓铟层是单层材料，或者是不同组分的AlxInyGa1-x-yN叠层结构；对于单层材料，其厚度为0.005-0.1μm；对于叠层结构，其单层厚度为0.001μm-0.1μm，叠层结构对数为2到30对；该氮化铝镓铟层的杂质原子为镁或锌。
在P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为800-1100℃，压力为10000-60000Pa，生长厚度为0.1-1μm。
在本实施例提供的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法中，所用的外延设备为德国AIXTRON公司生产的商用机，型号为Crius 31x2’。所用V族源为氨气(NH3)，III族金属有机源材料为三甲基镓(TMGa)和三甲基铟(TMIn)，除了生长多量子阱区用N2做载气外其余层的载气为H2，p型与n型杂质分别为Mg、Si。
首先，将2英寸的蓝宝石衬底上装入MOCVD生长设备后，先升温到1100℃高温烘烤，然后反应室降温到560℃生长低温氮化铝镓铟成核层，三甲基镓的流量为75标准毫升/分钟，氨气流量为15标准升/分钟，生长时间为100-200秒，反应室压力为60000Pa。之后升温依次进行GaN的成核与闭合，生长非故意掺杂GaN层约2μm，生长Si掺杂的n型AlGaN/GaN超晶格，其中Al含量为0.05-0.2，Si掺杂浓度为1×1018-1×1019Gm-3，AlGaN与GaN层厚为0.003-0.01μm；之后生长n型掺杂的GaN层2μm；接下来降温到700-900℃，并将系统切换为N2气氛，压力为40000Pa，生长氮化镓铟/氮化铝镓铟多量子阱发光区；重新切换气氛到H2，温度升高到1000℃生长Mg掺杂的p型氮化铝镓铟和氮化镓的多层结构，一共生长5对，氮化铝镓铟厚度与氮化镓厚度是0.005μm。之后生长Mg掺杂的p型氮化镓层0.1-0.2μm，即完成了完整发光二极管结构的生长。
图2示出了依照本发明实施例AlGaN/GaN超晶格插入层的透射电子显微镜形貌，图3示出了依照本发明实施例采用AlGaN/GaN超晶格的GaN基LED抗静电测试结果。本发明AlGaN/GaN插入层有效的降低了后续生长的GaN层中的位错密度，提高了材料质量，提高了LED器件的抗静电能力，如图3所示，制备成0.25mm×0.6mm的背光用LED芯片，其人体模式的抗静电能力超过6000V。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，包括：
选择一衬底；
在该衬底上生长一氮化镓成核层；
在该氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；
在该非故意掺杂氮化镓层上生长一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层；
在该氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层上生长N型掺杂的氮化镓层；
在该N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；
在该氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层，该氮化铝镓铟层为单层或者不同组分与厚度的氮化铝镓铟多层结构；以及
在该P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层。
2.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂。
3.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，所述衬底为平面衬底，或者表面上制作出规则或者不规则形状的的图形衬底，图形衬底的特征尺寸如下：图形底部尺寸为0.1-10μm，图形间距为0.1-5μm，图形高度为0.1-5μm。
4.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，所述在衬底上生长一氮化镓成核层采用金属有机化合物物理气相外延法，生长温度为500-600℃，生长压力为10000-90000Pa，生长厚度为0.01-0.1μm。
5.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，所述在氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层的步骤中，生长温度为900-1200℃，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1-5μm。
6.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，所述在非故意掺杂氮化镓层上生长一氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层的步骤中，生长温度为1000-1100℃，生长压力为5000-40000Pa，每对超晶格单元的厚度为0.001-0.1μm，超晶格对数为1-100对，该超晶格是n型掺杂的或者是非掺杂的，n型掺杂的元素为硅。
7.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，所述在氮化铝镓/氮化镓超晶格插入层上生长N型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为1000-1100℃，生长压力为10000-60000Pa，生长厚度为1-5μm，其n型掺杂元素为Si。
8.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，所述在N型掺杂的氮化镓层上生长氮化铝镓铟多量子阱发光层的步骤中，氮化铝镓铟多量子阱发光层为Ga1-xInxN/AlxInyGa1-x-yN多量子阱发光层，生长温度为650-900℃，生长压力为20000-60000Pa，多量子阱的AlxInyGa1-x-yN势垒厚度为0.005-0.05μm，Ga1-xInxN量子阱厚度为0.001-0.01μm，其中多量子阱的对数为1-30对。
9.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，所述在氮化铝镓铟多量子阱发光层上生长P型掺杂的氮化铝镓铟层的步骤中，P型掺杂的氮化铝镓铟层为p型掺杂的AlxInyGa1-x-yN层，其中0≤x≤1，0≤y≤1，生长温度为900-1100℃，压力为5000-40000Pa，该氮化铝镓铟层是单层材料，或者是不同组分的AlxInyGa1-x-yN叠层结构；对于单层材料，其厚度为0.005-0.1μm；对于叠层结构，其单层厚度为0.001μm-0.1μm，叠层结构对数为2到30对；该氮化铝镓铟层的杂质原子为镁或锌。
10.根据权利要求1所述的提高氮化镓基发光二极管抗静电能力的方法，其特征在于，在P型掺杂的氮化铝镓铟层上生长P型掺杂的氮化镓层的步骤中，生长温度为800-1100℃，压力为10000-60000Pa，生长厚度为0.1-1μm。
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