CN102945901B - 一种大功率氮化物led结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种大功率氮化物LED结构，在衬底的一面生长缓冲层、第一未掺杂GaN层、n型层、有源层、p型层、第二未掺杂GaN层、透明导电层并设置p电极和n电极，所述第二未掺杂GaN层生长在p型层与透明导电层之间，其厚度为20～100nm，具有粗糙化的表面结构；在透明导电层上制作p电极；将外延结构蚀刻至露出或接近露出缓冲层，在缓冲层上或第一未掺杂GaN层上制作n电极。本发明制造方法的要点是：在p型层上生长第二未掺杂GaN层，在第二未掺杂GaN层上生长透明导电层，然后制作p电极和n电极。本发明可形成电容式结构，提高出光效率，降低压电效应的影响，改善电流拥堵现象，减少LED器件的发热，提高产品的竞争能力。

Description

一种大功率氮化物LED结构及其制造方法

技术领域

本发明专利涉及半导体制造领域，具体涉及一种大功率氮化物LED结构及其制造方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种能将电信号转换成光信号的结构型电致发光的半导体器件。氮化镓(GaN)基发光二极管作为固态光源一经出现便以其高效率、长寿命、节能环保、体积小等优点被誉为继电灯后人类照明史上的又一次革命，成为国际半导体和照明领域研发与产业关注的焦点。以氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)、氮化铝镓(AlGaN)和氮化铟铝镓(AlGaInN)为主的III～V族氮化物材料具有连续可调的直接带宽为0.7～6.2eV，它们覆盖了从紫外光到红外光的光谱范围，是制造蓝光、绿光和白光发光器件的理想材料。

现有常规的GaN基氮化物LED结构（参见图1），为在蓝宝石衬底101的一面外延生长缓冲层102、未掺杂GaN层103、 n型层104、有源层105、p型层106、透明导电层107；在透明导电层107的上表面设置p电极108并在缓冲层102的上表面设置n电极109（参见图2）。所述p电极108和n电极109位于蓝宝石衬底101的同一侧。半导体发光器件工作室的电流从p电极108流经p型层106、有源层105、n型层104到达n电极109（参见图2）。但是，由于p型层106中Mg的活化效率较低及压电效应影响，器件的发光效率一直不高。同时，由于n电极109一般制作在n型层104上面，导致在拐角位置电流拥堵严重，从而出现较为严重的发热问题，这不仅影响器件的使用寿命，也会使器件的光衰比较严重。

由于蓝宝石衬底是绝缘材料，因摩擦、感应、传导等因素而产生的电荷难以从衬底方向释放，当电荷积累到一定程度就会产生静电释放现象（ElectriStatic Discharge，简称ESD）。故而以蓝宝石为衬底的GaN基LED芯片属于静电敏感器件，其抗静电能力较差。现在有些企业或研究机构为了提高GaN基器件的抗静电能力而引入了较为复杂的器件制造方法，有一定效果。但是，单独为解决抗静电问题而引入复杂的制造方法会提高器件的制造成本。所以，还是应研究在外延过程中引入新的结构以抵御静电释放现象（ESD）对器件的损伤。

发明内容

本发明的目的是要解决上述问题，提供一种含有电容式结构的大功率氮化物LED结构，通过在LED外延片中形成电容结构，一方面改善器件内载流子迁移率和出光光路，增加载流子复合几率，提高器件的出光效率同时降低压电效应的影响；另一方面在透明导电层和p型层之间加入第二未掺杂GaN层起缓冲作用，改善电流拥堵现象，减少发热，从而延长器件使用寿命，减少光衰；再一方面，由于电容式结构的保护作用可以提高器件的抗静电能力。本发明的第二个目的是，提供所述大功率氮化物LED结构的制造方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下。

一种大功率氮化物LED结构，在衬底的一面包括缓冲层、第一未掺杂GaN层、n型层、有源层、p型层、透明导电层、p电极和n电极，其特征在于，在p型层与透明导电层之间夹有一层第二未掺杂GaN层，在所述透明导电层上制作p电极；将外延结构蚀刻至露出缓冲层或接近露出缓冲层，在所述缓冲层上或者接近露出缓冲层的第一未掺杂GaN层上制作n电极；所述p型层为掺Mg GaN结构层，其厚度为50～300nm。

可选的，所述p型层或为掺杂浓度固定的结构或为掺杂浓度渐变的结构。

进一步，所述第二未掺杂GaN层为厚20～500nm、具有粗糙化表面的结构层。

进一步，所述粗糙化表面包括不规则粗糙面和规格图形化面。

进一步，所述规格图形包括圆形、条形、正方形、长方形或者六边形。

进一步，所述n电极与所述缓冲层为直接（直接接触）或者虚接（间接接触），所述虚接为：所述n电极通过非常薄的（程度为“接近露出”）第一未掺杂GaN层与所述缓冲层连接。

为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案如下。

一种大功率氮化物LED结构的制造方法，采用金属有机化合物气相沉积法（MOCVD）生长，其特征是，其生长步骤包括：

（1）根据衬底性质选用对应的方法对衬底进行清洗，然后将衬底置于外延生长炉内；

（2）将炉温调至530～560℃，在衬底上生长20～35nm厚度的低温氮化镓缓冲层；

（3）将炉温升至1050～1150℃，在缓冲层上生长1～2.3um厚度的第一未掺杂GaN层；

（4）将炉温调至950～1250℃，生长厚度为1～2.5um的n型层；

（5）将炉温降至750～860℃，在n型层上生长5～15周期的InGaN/GaN的多量子阱有源层；

（6）将炉温再升至930～1100℃，在有源层上生长50～300nm厚度的p型层；

（7）将炉温调至1050～1150℃，在p型层上生长厚度为20～500nm的第二未掺杂GaN层；

（8）根据芯片工艺制作透明导电层、p电极和n电极。

进一步，步骤（6）所述的p型层优选浓度渐变式结构。

进一步，步骤（7）所述的第二未掺杂GaN层具有粗糙化表面，所述粗糙化表面包括不规则粗糙面和规格图形化面，所述粗糙化表面采用调整外延工艺参数、光刻加蚀刻的芯片工艺制作。

进一步，所述规格图形包括圆形、条形、正方形、长方形或者六边形。

本发明的积极效果是：（1）通过在外延结构中插入第二未掺杂GaN层，可形成电容式结构，改善载流子迁移率尤其是空穴的迁移率，提高有源区电子和空穴的复合效率，同时能够降低压电效应的影响，提高器件抗静电的能力。

（2）在外延结构中插入粗糙化的第二未掺杂GaN层可改变出光光路，增加光线辐射出器件的概率，提高器件的出光效率。

（3）引入第二未掺杂GaN层同时虚接n电极可改善器件的电流分布，减少发热，从而延长器件使用寿命、减少光衰。

附图说明

图1为现有氮化物LED结构的外延结构示意图；

图2为现有氮化物LED结构电极连接的结构示意图。

图中的标号分别为：

101、衬底；102、缓冲层；103、未掺杂GaN层；104、n型层；105、有源层；

106、p型层；107、透明导电层；108、p电极；109、n电极。

图3为本发明一种大功率氮化物LED结构的外延结构示意图。

图4为本发明一种大功率氮化物LED结构n电极与缓冲层实接的结构示意图。

图5为本发明一种大功率氮化物LED结构n电极与缓冲层虚接的结构示意图。

图中的标号分别为：

201、衬底；202、缓冲层；203、第一未掺杂GaN层；204、n型层；

205、有源层；206、p型层；207、透明导电层；208、p电极；

209、n电极；210、第二未掺杂GaN层。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明一种大功率氮化物LED结构的具体实施方式，提供2个具体实施例。但是需要指出，本发明的实施不限于以下的实施内容。

实施例1

参见图3和4。一种大功率氮化物LED结构，包括衬底201、缓冲层202、第一未掺杂GaN层 203、n型层204、有源层205、p型层206、第二未掺杂GaN层 210、透明导电层207、p电极208和n电极209。所述衬底201采用蓝宝石、碳化硅、氮化镓或硅材料中的一种。本实施例优选蓝宝石衬底201。

本实施例的大功率氮化物LED结构的制造方法为，采用金属有机化合物气相沉积法（MOCVD）在蓝宝石衬底201上依次生长缓冲层202、第一未掺杂GaN层 203、n型层204、有源层205、p型层206、第二未掺杂GaN层210，其具体生长步骤包括：

（1）根据蓝宝石衬底201的性质选用对应的方法进行清洗，然后将蓝宝石衬底201置于外延生长炉内。

（2）将温度调至530℃，在衬底201上生长20nm厚度的低温氮化镓缓冲层202。

（3）将温度升至1050℃，在缓冲层202上生长1um厚度的第一未掺杂GaN层203。

（4）将温度调至950℃，生长厚度为1um的n型层204。

（5）将温度降至750℃，在n型层204上生长5周期的InGaN/GaN的多量子阱有源层205，其中垒层生长温度为750℃，厚度12nm；阱层生长温度为710℃，厚度1.5nm。

（6）将温度再升至930℃，在有源层205上生长50nm厚度的p型层206，所述p型层206为掺Mg GaN层，掺杂浓度为1.5×10¹⁷cm^-3；优选浓度渐变式结构。

（7）将温度调至1050℃，在p型层206上生长厚度为20nm的第二未掺杂GaN层210；所述第二未掺杂GaN层 210选用本征GaN材料，其顶部不做粗糙化处理； 

 然后，在第二未掺杂GaN层210上生长透明导电层207。

（8）在外延结构生长完之后按照现有的芯片工艺在外延结构的透明导电层207上制作p电极208以及制作n电极209；要注意的是：在制作n电极209时，其蚀刻深度要求蚀刻到缓冲层202，使n电极209能直接连接在露出的缓冲层202上（见图4），所述n电极209与所述缓冲层202为实接（直接接触）。

本实施例的大功率氮化物LED结构由于引入了电容式结构，加电后会在外延结构两边形成附加电场，一方面可以降低压电效应影响，增加载流子的迁移速率，增大载流子的复合几率，从而提高发光效率；另一方面时由于电容式结构的保护作用，可以增加器件的抗静电能力。

实施例2

参见图3和5。一种大功率氮化物LED结构，包括衬底201、缓冲层202、第一未掺杂GaN层203、n型层204、有源层205、p型层206、第二未掺杂GaN层210、透明导电层207、p电极208和n电极209。所述衬底201采用蓝宝石、碳化硅、氮化镓或硅材料中的一种。本实施例优选蓝宝石衬底201。其具体生长步骤包括：

（1）根据蓝宝石衬底201的性质选用对应的方法进行清洗，然后将蓝宝石衬底201置于外延生长炉内。

（2）将温度调至560℃，在衬底201上生长35nm厚度的低温氮化镓缓冲层202。

（3）将温度升至1150℃，在缓冲层202上生长2.3um厚度的第一未掺杂GaN层203。

（4）将温度调至1250℃，生长厚度为2.5um的n型层204。

（5）将温度降至860℃，在n型层204上生长15周期的InGaN/GaN的多量子阱有源层205，其中垒层生长温度为860℃ ，厚度为15nm，阱层生长温度为810℃，厚度为2nm。

（6）将温度再升至1100℃，在有源层205上生长300nm厚度的p型层206，所述p型层206为掺Mg GaN层，掺杂浓度为1.5×10¹⁷cm^-3，生长厚度为150nm，后调整工艺参数使掺杂浓度梯度降低为0，总厚度保持300nm。

（7）将温度调至1150℃，在p型层206生长第二未掺杂层210；所述第二未掺杂GaN层210选用本征GaN材料，厚度为50nm，其顶部做粗糙化处理；所述粗化处理可通过调整温度、压强等工艺（参数）来实现。 

 然后，在第二未掺杂GaN层210上生长透明导电层207。

（8）在外延结构生长完之后按照现有的芯片工艺在外延结构的透明导电层207上制作p电极208以及制作n电极209。要注意的是：在制作n电极209时，其蚀刻深度要求蚀刻到第一未掺杂GaN层203，但是，保留的第一未掺杂GaN层203应该是非常薄的，其程度为“接近露出”，使n电极209虽连接在很薄的第一未掺杂GaN层203上，但是，所述n电极209是通过很薄的第一未掺杂GaN层203间接地与缓冲层202连接的（见图5）。

在实施例2中，由于采用p型层206掺Mg的浓度渐变从而可以获得更高的未掺杂GaN晶体质量。由于引入了电容式结构，加电后会在外延结构两边形成附加电场，一方面可以降低压电效应影响，增加载流子的迁移速率，增大载流子的复合几率，提高发光效率。与此同时，由于电容式结构的保护作用，可增加器件的抗静电能力。最后，由于粗化第二未掺杂GaN层210，可改变器件的出光光路，从而提高器件的外量子效率，获得较好的发光效率。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种大功率氮化物LED结构，在衬底的一面包括缓冲层、第一未掺杂GaN层、n型层、有源层、p型层、透明导电层、p电极和n电极，其特征在于，在p型层与透明导电层之间夹有一层第二未掺杂GaN层，在所述透明导电层上制作p电极；将外延结构蚀刻至露出缓冲层，在所述缓冲层上制作n电极；所述p型层为掺Mg GaN结构层，其厚度为50～300nm。

2.根据权利要求1所述的一种大功率氮化物LED结构，其特征在于，所述p型层或为掺杂浓度固定的结构或为掺杂浓度渐变的结构。

3.根据权利要求1所述的一种大功率氮化物LED结构，其特征在于，所述第二未掺杂GaN层为厚20～500nm、具有粗糙化表面的结构层。

4.根据权利要求3所述的一种大功率氮化物LED结构，其特征在于，所述粗糙化表面包括不规则粗糙面和规格图形化面。

5.根据权利要求4所述的一种大功率氮化物LED结构，其特征在于，所述规格图形包括圆形、正方形、长方形或者六边形。