专利名称：一种发光二极管的外延生产方法
技术领域：
本发明属于半导体生产技术领域，特别是指氮化镓基发光二极管的外延结构设计及其生长方法。
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，且传统正装结构LED器件电流扩展能力差，这两方面极大的限制了其进一步进入高端应用市场。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各种插入层，或者插入P型AWaN并优化其生长条件等等。这些技术在一定程度上改善了 GaN 基LED的抗静电性能，但是仍然存在以下弊端
1、工艺复杂，增加了LED的制作成本；
2、无法同时兼顾效率的提升与抗静电能力的同时改善，通常是改善效率以牺牲抗静电能力为代价，或者相反，无法实现真正的产业化应用；
3、插入层工艺会导致生长时间增加，降低了设备的产能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种能同时改善GaN基LED抗静电能力与发光效率的发光二极管的外延生产方法。本发明包括在衬底上采用金属有机化合物物理气相外延法生长低温氮化镓成核层；然后在低温氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；再在非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层；生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；生长P型掺杂的氮化镓层；其特征在于在生长氮化铝镓铟多量子阱发光层之前，在N型掺杂的氮化镓层上由生长N型掺杂的氮化镓与非掺杂氮化镓交替的至少两个周期层组成的结构层。本发明通过在IiGaN与发光层之间插入调制掺杂的nGaN/uGaN周期性结构来解决 GaN基LED内部电容小和电流扩展能力差的问题，达到增大LED的内部电容，改善GaN基LED 电流扩展能力，从而提高GaN基LED抗静电能力，且能降低工作电压，提高发光效率，工艺简单，不额外增加生长时间，增大了产能。本发明所述衬底为蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂。本发明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，所述图形衬底的底部尺寸为0. 1 lOum，图形间距为0. 1 5um，图形高度为0. 1 5um。本发明在衬底上生长所述低温氮化镓成核层的生长温度为500 600°C，生长压力为10000 90000Pa,生长厚度为0. Ol 0. 1 μ m。本发明生长非故意掺杂氮化镓层的生长温度为900 1200°C，生长压力为10000 60000Pa,生长厚度为1 5 μ m。本发明生长N型掺杂的氮化镓层的生长温度为1000 1100°C，生长压力为 10000 60000Pa，生长厚度为1 5 μ m，其N型掺杂元素为Si或其它能在feiN中作为N型杂质的元素。本发明生长N型GaN与非掺杂GaN交替的周期层的生长温度为900 1100°C，生长压力为10000 60000Pa，其中η型掺杂氮化镓与非掺杂GaN的厚度分别是10 500nm 和10 500nm，周期性结构的周期数是1 50，其N型掺杂元素为Si或其它能在GaN中作为N型杂质的元素，掺杂浓度为IX 1017cnT3-5X 1019CnT3。本发明生长氮化铝镓铟多量子阱发光层的生长温度为650 900°C，生长压力为 20000 60000Pa，多量子阱Al^η^ει^Ν的势垒厚度为0. 005 0. 05um, Ga1^xInxN量子阱厚度为0. 001 0. Olum，其中多量子阱的对数为1 30对。本发明生长P型掺杂的氮化镓层的生长温度为800 1100°C，压力为10000 60000Pa,生长厚度为0. 1 1 μ m。
图1采用nGaN/uGaN调制掺杂层LED结构的SIMS测试结果图。图2采用nGaN/uGaN调制掺杂层的LED结构示意图。图3采用nGaN/uGaN调制掺杂层的LED与参考LED的ESD测试结果图。图4采用nGaN/uGaN调制掺杂结构的LED与常规LED的I_V曲线。
具体实施例方式一、发光二极管的外延加工步骤原则
1、在蓝宝石、碳化硅、硅、砷化镓、氧化锌或铝酸锂衬底上生长的低温氮化镓成核层，生长温度为500-600°C，生长压力为10000-90000Ρει，生长厚度为0. 01-0. Iym02、在低温氮化镓成核层上生长非故意掺杂的GaN层，生长温度为900-1200°C，生长压力为10000-60000Ρει，生长厚度为1_5μπι。3、在非故意掺杂的GaN层上生长N型掺杂的GaN，生长温度为1000-1100°C，生长压力为10000-60000Ρει，生长厚度为1_5 μ m，其N型掺杂元素为Si或其它能在GaN中作为 N型杂质的元素。4、在N型掺杂的氮化镓之上生长N型掺杂GaN与非掺杂GaN交替的周期性结构层， 生长温度为1000-1100°C，生长压力为10000-60000Ρει，其中N型掺杂氮化镓与非掺杂GaN 的厚度分别是10-500nm和10-500nm，周期性结构的周期数是1-50，其N型掺杂元素为Si 或其它能在GaN中作为N型杂质的元素，掺杂浓度为lX1017CnT3-5X1019Cm-3。5、在N型掺杂的GaN上面生长GEt1-JnxN/ (AlxIny(;ai_x_yN)多量子阱发光区，生长温度为650-900°C，生长压力为20000-60000Ρει，多量子阱的AlxIny(iai_x_yN势垒厚度为 0. 005-0. 05um, Ga1^xInxN量子阱厚度为0. 001-0. Olum，其中多量子阱的对数为1-30对。6、在多量子阱区之上生长ρ型掺杂的氮化镓层，生长温度为800-1100°C，压力为 10000-60000Pa,生长厚度为 0. 1-1 μ m。下面以蓝宝石为衬底，进一步详细说明示例外延设备为德国AIXTR0N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(TMh)，除了生长多量子阱区用N2做载气外其余层的载气为H2, ρ型与η型杂质分别为Mg、Si。将2英寸的蓝宝石衬底上装入MOCVD生长设备后，先升温到1100°C高温烘烤，然后反应室降温到560°C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100-200S，反应室压力为60000Pa。然后升温依次进行GaN的成核与闭合，生长非故意掺杂GaN层约2um。然后生长η型掺杂的GaN层2um。接下来生长3对掺杂GaN与非掺杂GaN交替的周期性结构，掺杂浓度为 5 X IO1W3, nGaN 与 ufeiN 厚度分别为 20nm 和 lOOnm。接下来降温到700-900°C，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°C生长Mg掺杂的ρ型氮化镓层0. 2um,即形成完整发光二极管结构的生长。该调制掺杂层的引入，同时改善了 GaN基LED的抗静电能力和发光效率，制备成 0. 25mmX0. 6mm的背光用LED芯片，其人体模式的抗静电能力超过6000V，电压3. 15V低于常规 LED 3. 3V。图1是所述LED结构SIMS (二次离子质谱)测试的结果，其中η型杂质Si的掺杂浓度约6E18cm_3，nGaN与MQWs之间Si掺杂周期性变化的位置就是上面所述的uGaN/nGaN 调制掺杂结构，其周期数为3，其中nGaN掺杂浓度约5E18cnT3，厚度约40nm，uGaN非掺杂，厚度约90nm。图2是所述的完整LED各层结构示意图，依次是30nm低温成核层，其上生长2微米厚的非故意掺杂GaN (uGaN)，然后是2微米Si掺杂的nGaN，然后是3对调制掺杂层，然后是^GaN/GaN多量子阱发光层，然后是Mg掺杂的ρ型GaN，该结构示意图和SIMS测试结果吻合。图3是采用该结构的LED芯片ESD测试结果，人体模式6000V条件下，其抗静电通过率仍高达96%，显示出非常优异的抗静电性能。图4是采用该调制掺杂结构的LED与普通LED的I-V特性曲线对比，采用该结构的LED在350mA下工作电压比常规LED低0. 12V，其开启电压基本相同，由此可以认为调制掺杂结构改善了 LED的电流扩展能力，降低了电压。
权利要求
1、一种发光二极管的外延生产方法，包括在衬底上采用金属有机化合物物理气相外延法生长低温氮化镓成核层；然后在低温氮化镓成核层上生长非故意掺杂氮化镓层；再在非故意掺杂氮化镓层上生长N型掺杂的氮化镓层；生长氮化铝镓铟多量子阱发光层；生长P 型掺杂的氮化镓层；其特征在于在生长氮化铝镓铟多量子阱发光层之前，在N型掺杂的氮化镓层上由生长N型掺杂的氮化镓与非掺杂氮化镓交替的至少两个周期层组成的结构层。
2、根据权利要求1所述发光二极管的外延生产方法，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或2所述发光二极管的外延生产方法，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，所述图形衬底的底部尺寸为 0. 1 10um，图形间距为0. 1 5um，图形高度为0. 1 5um。
4、根据权利要求1所述发光二极管的外延生产方法，其特征在于在衬底上生长所述低温氮化镓成核层的生长温度为500 600°C，生长压力为10000 90000Pa，生长厚度为0. 01 0. Ιμ ο
5、根据权利要求1所述发光二极管的外延生产方法，其特征在于所述生长非故意掺杂氮化镓层的生长温度为900 1200°C，生长压力为10000 60000Ρει，生长厚度为1 5 μ m0
6、根据权利要求1所述发光二极管的外延生产方法，其特征在于所述生长N型掺杂的氮化镓层的生长温度为1000 1100°C，生长压力为10000 60000Pa，生长厚度为1 5 μ m，其N型掺杂元素为Si或其它能在GaN中作为N型杂质的元素。
7、根据权利要求1所述发光二极管的外延生产方法，其特征在于所述生长N型GaN与非掺杂GaN交替的周期层的生长温度为900 1100°C，生长压力为10000 60000Pa，其中 η型掺杂氮化镓与非掺杂GaN的厚度分别是10 500nm和10 500nm，周期性结构的周期数是1 50，其N型掺杂元素为Si或其它能在GaN中作为N型杂质的元素，掺杂浓度为 lX1017cm_3-5X1019cm_3。
8、根据权利要求1所述发光二极管的外延生产方法，其特征在于所述生长氮化铝镓铟多量子阱发光层的生长温度为650 900°C，生长压力为20000 60000Pa，多量子阱 AlxInyGa1^yN的势垒厚度为0. 005 0. 05um, Ga1^xInxN量子阱厚度为0. 001 0. Olum，其中多量子阱的对数为1 30对。
9、根据权利要求1所述发光二极管的外延生产方法，其特征在于所述生长P型掺杂的氮化镓层的生长温度为800 1100°C，压力为10000 60000Pa，生长厚度为0. 1 1 μ m。
全文摘要
一种发光二极管的外延生产方法，涉及半导体技术领域，在衬底上依次生长低温氮化铝镓铟成核层、非故意掺杂氮化镓层、掺杂氮化镓层、掺杂的氮化镓与非掺杂氮化镓交替的周期性结构层、氮化镓铟/氮化镓多量子阱发光层和掺杂的氮化镓层。利用本发明在掺杂GaN与多量子阱发光区之间之间插入一掺杂氮化镓与非掺杂氮化镓交替生长的周期性结构，可以增大氮化镓基LED器件的内部电容，改善GaN基LED的电流扩展能力，从而提高其抗静电性能，且降低GaN基LED的工作电压，提高发光效率。
文档编号H01L33/00GK102364706SQ201110365009
公开日2012年2月29日 申请日期2011年11月17日 优先权日2011年11月17日
发明者李志聪, 李璟, 李盼盼, 李鸿渐, 王国宏 申请人:扬州中科半导体照明有限公司