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CN109103310A - 一种提升氮化镓基led发光二极管抗静电能力的外延片及生长方法 - Google Patents

一种提升氮化镓基led发光二极管抗静电能力的外延片及生长方法 Download PDF

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温荣吉
芦玲
祝光辉
陈明
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Huaian Aucksun Optoelectronics Technology Co Ltd
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Abstract

一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片及生长方法，该外延片结构从下向上依次为蓝宝石图形化AlN衬底、未掺杂的低温氮化镓缓冲层、未掺杂的高温氮化镓层、掺SiH4的N型氮化镓导电层、有源发光层、低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层、掺Mg的P型氮化镓导电层和掺Mg的P型接触层。本发明提出了量子垒层采用调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构，这种结构能够有效的引导冲击电流，使脉冲电流在GaN/AlGaN结构的二维电子气中，在横向方向上传导，使得脉冲电流的密度分布更加均匀，从而使LED芯片被击穿的可能性得到很大的降低，为有效提升氮化镓基发光二极管的抗静电能力提供了一种外延片生长方法。

Description

一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片及生 长方法
技术领域
本发明属于氮化镓基LED外延片设计应用技术领域，涉及一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片及生长方法。
背景技术
氮化镓(GaN)是宽禁带材料，电阻率高，GaN基LED芯片在生产、运送过程中产生的静电电荷不易消失，累积到一定程度可以产生很高的静电电压。蓝宝石衬底的LED芯片正负电极位于芯片同一侧，间距很小，因此对静电的承受能力很小，极易被静电击穿失效，影响器件的寿命。
目前传统的GaN基LED外延生长结构过程为：500℃先在蓝宝石衬底上生长一层低温GaN缓冲层；然后接着在1100℃下生长一层未掺杂的高温GaN；再接着高温生长一层掺杂SiH4的n型GaN层,这一层提供复合发光的电子；然后接着在750～850℃下生长几个周期的GaN/InGaN的量子阱和量子垒作为LED的发光层，该层是GaN基LED外延的核心部分；然后在950℃左右生长掺杂Mg的P型AlGaN层，起到阻挡电子的作用；最后在1000℃左右生长一层掺杂Mg的P型GaN层，这一层提供复合发光的空穴；最后是退火过程。
目前LED外延生长过程中，有源层多采用几个周期结构GaN/InGaN量子阱垒区，电子和空穴在能带较窄的阱层InGaN材料中复合发光。由于两种材料的晶格常数不同容易产生极化效应，引起位错缺陷，如果这种缺陷得不到有效控制，穿过GaN/InGaN量子阱垒区的线位错会导致大量表面缺陷，形成漏电通道，进而影响芯片承受抗静电的能力。所以有效改善有源发光层的结晶质量对提升LED芯片的抗静电能力非常重要。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述传统氮化镓基LED外延片的研制过程中所面临的技术难题，对发光层量子垒结构进行了优化设计，将垒层设计为调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构，当LED芯片遭受静电冲击时，这种结构能够有效的引导冲击电流，使脉冲电流在GaN/AlGaN结构的二维电子气中，在横向方向上传导，使得脉冲电流的密度分布更加均匀，从而使LED芯片被击穿的可能性得到很大的降低，进而有效的提升LED芯片的抗静电能力。本发明提出的一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片及生长方法，其中外延层的结构如图1所示，包括：蓝宝石图形化AlN衬底；未掺杂的低温氮化镓缓冲层；未掺杂的高温氮化镓层；掺SiH4的N型氮化镓导电层；有源发光层为周期性结构的InGaN/GaN量子阱垒区，其中量子垒层采用调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构；低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层；掺Mg的P型氮化镓导电层；掺Mg的P型接触层。
本发明的技术方案：
一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片，该外延片结构从下向上的顺序依次为蓝宝石图形化AlN衬底；未掺杂的低温氮化镓缓冲层；未掺杂的高温氮化镓层；掺SiH4的N型氮化镓导电层；有源发光层为周期性结构的InGaN/GaN量子阱垒区，其中量子垒层采用调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构；低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层；掺Mg的P型氮化镓导电层；掺Mg的P型接触层；
所述的有源发光层由InGaN量子阱与GaN量子垒结构交替组成，量子垒层采用调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构，这种结构能够有效的引导冲击电流，使脉冲电流在GaN/AlGaN结构的二维电子气中，在横向方向上传导，使得脉冲电流的密度分布更加均匀，从而使LED芯片被击穿的可能性得到很大的降低，可以有效的提升LED芯片的抗静电能力。
所述的未掺杂的低温氮化镓缓冲层的厚度为20nm～40nm；
所述的未掺杂的高温氮化镓的厚度为1500nm～3000nm；
所述的掺SiH4的N型氮化镓导电层的厚度为2500nm～4000nm；
所述的有源发光层的厚度为90nm～400nm；其中量子阱垒区中InGaN量子阱的单元厚度为2nm～5nm；其中量子阱垒区中GaN量子垒的单元厚度为9nm～20nm，构成量子垒的超晶格结构中GaN的厚度为1nm～4nm，超晶格结构中调制掺杂的AlGaN的厚度为1nm～4nm；
所述的低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层的厚度为10nm～50nm；
所述的掺Mg的P型氮化镓导电层的厚度为20nm～80nm；
所述的掺Mg的P型接触层的厚度为5nm～20nm；
优选条件：
所述的未掺杂的低温氮化镓缓冲层的厚度为25nm～30nm；
所述的未掺杂的高温氮化镓的厚度为1800nm～2500nm；
所述的掺SiH4的N型氮化镓导电层的厚度为2800nm～3000nm；
所述的有源发光层的厚度为200nm～300nm；其中量子阱垒区中InGaN量子阱的单元厚度为3nm～4nm；其中量子阱垒区中GaN量子垒的单元厚度为12nm～16nm，其中构成量子垒的超晶格结构中GaN的厚度为1.5nm～3nm，超晶格结构中调制掺杂的AlGaN的厚度为1.5nm～3nm；
所述的低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层的厚度为15nm～30nm；
所述的掺Mg的P型氮化镓导电层的厚度为40nm～60nm；
所述的掺Mg的P型接触层的厚度为10nm～15nm。
一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片生长方法，步骤如下：
步骤1：将蓝宝石图形化ALN衬底清洗处理后，放在MOCVD腔体里的石墨盘上，在1000～1100℃烘烤8～12分钟；
步骤2：降温到510～560℃，在400～600mbar的压力下，生长一层厚度为20nm～30nm的未掺杂的低温氮化镓缓冲层；
步骤3：将温度升至1010～1160℃，在600～800mbar的压力下，生长一层厚度为1800nm～2500nm的未掺杂的高温氮化镓层；
步骤4：在温度为1000～1100℃，在500～700mbar的压力下，生长一层厚度为2000nm～3000nm的掺SiH4的N型氮化镓导电层；
步骤5：在温度为810～860℃时，在200～500mbar的压力下，生长一层1nm～3nm的GaN，然后再生长一层1nm～3nm调制掺杂的AlGaN，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长2～6个周期，此连续的超晶格结构即为有源发光层的量子垒区结构；
步骤6：在温度为710～760℃时，在200～500mbar的压力下，在量子垒区结构上面生长一层厚度为2～6nm的InGaN层，此为有源发光层的量子阱区结构；
步骤7：按照步骤5和6的方式交替连续生长9～20个周期，此即为有源发光层的完整结构；
步骤8：在温度为850～900℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为15nm～30nm的低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层
步骤9：在温度为980～1000℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为40nm～60nm的掺Mg的P型氮化镓导电层
步骤10：在温度为750～800℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为10nm～15nm的掺Mg的P型接触层；
步骤11：最后在氮气氛围下退火15～25分钟。
所述的生长技术为金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，金属有机源三甲基镓(TMGa)或者三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，N型掺杂剂为硅烷(SiH4)，P型掺杂剂为二茂镁(CP2Mg)；载气为高纯H2或/和高纯N2。
本发明的有益效果：较传统的生长方法不同，本发明对发光层量子垒区结构进行了优化设计，提出了量子垒层采用调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构，这种结构能够有效的引导冲击电流，使脉冲电流在GaN/AlGaN结构的二维电子气中，在横向方向上传导，使得脉冲电流的密度分布更加均匀，从而使LED芯片被击穿的可能性得到很大的降低，为有效提升氮化镓基发光二极管的抗静电能力提供了一种外延片生长方法。
附图说明
图1是氧化镓基LED外延片组成结构示意图。
图中：1蓝宝石图形化AlN衬底；2未掺杂的低温氮化镓缓冲层；3未掺杂的高温氮化镓；4掺SiH4的N型氮化镓导电层；5有源发光层为周期性结构的InGaN/GaN量子阱垒区；5.1GaN量子垒区；5.2 InGaN量子阱区；5.1.1超晶格的GaN；5.1.2超晶格的调制掺杂的AlGaN；6低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层；7掺Mg的P型氮化镓导电层；8掺Mg的P型接触层。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图，进一步说明本发明的具体实施方式，本实施例采用金属有机化合物化学气相淀积设备(MOCVD)。
实施例1
一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片生长方法，包括以下工艺步骤：
步骤1：将蓝宝石图形化ALN衬底清洗处理后，放在MOCVD腔体里的石墨盘上，在1040℃左右烘烤11分钟；
步骤2：降温到525℃，在500mbar的压力下，生长一层厚度为27nm的低温GaN层；
步骤3：将温度升至1110℃，在750mbar的压力下，生长一层厚度为2200nm的高温GaN层；
步骤4：在温度为1065℃，在600mbar的压力下，生长一层厚度为2700nm的掺杂SiH4的n型高温GaN层；
步骤5：在温度为825℃时，在300mbar的压力下，生长一层2nm的GaN,然后再生长一层2nm调制掺杂的AlGaN，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长5个周期，此连续的超晶格结构即为发光层的量子垒区结构；
步骤6：在温度为725℃时，在300mbar的压力下，在量子垒层上面生长一层厚度为4nm的InGaN层,此为发光层的量子阱区结构；
步骤7：按照步骤5和6的方式交替连续生长14个周期，此即为发光层的完整结构；
步骤8：在温度为860℃时，在200mbar的压力下，生长一层掺Mg的厚度为26nm的AlGaN电子阻挡层；
步骤9：在温度为1000℃时，在200mbar的压力下，生长一层掺Mg的厚度为58nm的GaN层；
步骤10：在温度为740℃时，在300mbar的压力下，生长一层掺Mg的厚度为12nm的InGaN接触层；
步骤11：最后在氮气氛围下退火20分钟。
经实验对照分析：
本发明制得的外延材料的结晶质量明显提升：其中对比测试本发明与传统方法所制的LED芯片在1000V、2000V、4000V的反向静电击打之后，利用本发明制得的LED芯片的抗静电能力通过率明显高于传统方法约10％、13％、16％。说明材料的结晶质量提高。相比传统方案，最终的LED芯片的抗静电能力提升了10％-16％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片，其特征在于，该外延片结构从下向上的顺序依次为蓝宝石图形化AlN衬底；未掺杂的低温氮化镓缓冲层；未掺杂的高温氮化镓层；掺SiH4的N型氮化镓导电层；有源发光层为周期性结构的InGaN/GaN量子阱垒区，其中量子垒层采用调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构；低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层；掺Mg的P型氮化镓导电层；掺Mg的P型接触层；
所述的有源发光层由InGaN量子阱与GaN量子垒结构交替组成，量子垒层采用调制掺杂的GaN/AlGaN超晶格结构；
所述的未掺杂的低温氮化镓缓冲层的厚度为20nm～40nm；
所述的未掺杂的高温氮化镓的厚度为1500nm～3000nm；
所述的掺SiH4的N型氮化镓导电层的厚度为2500nm～4000nm；
所述的有源发光层的厚度为90nm～400nm；其中量子阱垒区中InGaN量子阱的单元厚度为2nm～5nm；其中量子阱垒区中GaN量子垒的单元厚度为9nm～20nm，构成量子垒的超晶格结构中GaN的厚度为1nm～4nm，超晶格结构中调制掺杂的AlGaN的厚度为1nm～4nm；
所述的低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层的厚度为10nm～50nm；
所述的掺Mg的P型氮化镓导电层的厚度为20nm～80nm；
所述的掺Mg的P型接触层的厚度为5nm～20nm。
2.根据权利要求1所述的提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片，其特征在于，
所述的未掺杂的低温氮化镓缓冲层的厚度为25nm～30nm；
所述的未掺杂的高温氮化镓的厚度为1800nm～2500nm；
所述的掺SiH4的N型氮化镓导电层的厚度为2800nm～3000nm；
所述的有源发光层的厚度为200nm～300nm；其中量子阱垒区中InGaN量子阱的单元厚度为3nm～4nm；其中量子阱垒区中GaN量子垒的单元厚度为12nm～16nm，其中构成量子垒的超晶格结构中GaN的厚度为1.5nm～3nm，超晶格结构中调制掺杂的AlGaN的厚度为1.5nm～3nm；
所述的低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层的厚度为15nm～30nm；
所述的掺Mg的P型氮化镓导电层的厚度为40nm～60nm；
所述的掺Mg的P型接触层的厚度为10nm～15nm。
3.一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片生长方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将蓝宝石图形化ALN衬底清洗处理后，放在MOCVD腔体里的石墨盘上，在1000～1100℃烘烤5～10分钟；
步骤2：降温到500～550℃，在400～600mbar的压力下，生长一层厚度为20nm～40nm的未掺杂的低温氮化镓缓冲层；
步骤3：将温度升至1000～1150℃，在600～800mbar的压力下，生长一层厚度为1500nm～3000nm的未掺杂的高温氮化镓层；
步骤4：在温度为1000～1100℃，在500～700mbar的压力下，生长一层厚度为2500nm～4000nm的掺SiH4的N型氮化镓导电层；
步骤5：在温度为810～860℃时，在200～500mbar的压力下，生长一层1nm～3nm的GaN，然后再生长一层1nm～3nm调制掺杂的AlGaN，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长2～6个周期，此连续的超晶格结构即为有源发光层的量子垒区结构；
步骤6：在温度为700～750℃时，在200～500mbar的压力下，在量子垒区结构上面生长一层厚度为2～5nm的InGaN层，此为有源发光层的量子阱区结构；
步骤7：按照步骤5和6的方式交替连续生长9～20个周期，此即为有源发光层的完整结构；
步骤8：在温度为850～900℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为10nm～50nm的低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层
步骤9：在温度为980～1000℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为20nm～80nm的掺Mg的P型氮化镓导电层
步骤10：在温度为750～800℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为5nm～20nm的掺Mg的P型接触层；
步骤11：最后在氮气氛围下退火15～25分钟。
4.一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片生长方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将蓝宝石图形化ALN衬底清洗处理后，放在MOCVD腔体里的石墨盘上，在1000～1100℃烘烤5～10分钟；
步骤2：降温到500～550℃，在400～600mbar的压力下，生长一层厚度为25nm～30nm的未掺杂的低温氮化镓缓冲层；
步骤3：将温度升至1000～1150℃，在600～800mbar的压力下，生长一层厚度为1800nm～2500nm的未掺杂的高温氮化镓层；
步骤4：在温度为1000～1100℃，在500～700mbar的压力下，生长一层厚度为2800nm～3000nm的掺SiH4的N型氮化镓导电层；
步骤5：在温度为825℃时，在300mbar的压力下，生长一层2nm的GaN,然后再生长一层2nm调制掺杂的AlGaN，以此二者为一超晶格单元结构，交替连续生长5个周期，此连续的超晶格结构即为发光层的量子垒区结构；
步骤6：在温度为700～750℃时，在200～500mbar的压力下，在量子垒区结构上面生长一层厚度为3～4nm的InGaN层，此为有源发光层的量子阱区结构；
步骤7：按照步骤5和6的方式交替连续生长9～20个周期，此即为有源发光层的完整结构；
步骤8：在温度为850～900℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为15nm～30nm的低温掺Mg的P型氮化铝镓电子阻挡层
步骤9：在温度为980～1000℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为40nm～60nm的掺Mg的P型氮化镓导电层
步骤10：在温度为750～800℃时，在150～400mbar的压力下，生长一层厚度为10nm～15nm的掺Mg的P型接触层；
步骤11：最后在氮气氛围下退火15～25分钟。
5.根据权利要求3或4所述的一种提升氮化镓基LED发光二极管抗静电能力的外延片生长方法，其特征在于，所述的生长方法采用金属有机化合物化学气相沉淀外延生长方法，金属有机源三甲基镓或三乙基镓作为镓源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝源，N型掺杂剂为硅烷，P型掺杂剂为二茂镁；载气为高纯H2和/或高纯N2。
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