發光二極體器件結構及其製作方法

2023-06-17 01:26:16

專利名稱：發光二極體器件結構及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件結構，尤其是一種發光二極體器件結構。 本發明還涉及一種發光二極體器件結構的製作方法。
技術背景高亮度發光二極體在顯示、裝飾和景觀照明中的應用越來越廣泛。但 是戶外使用的惡劣條件對發光二極體器件的性能，尤其是抗靜電能力提出 越來越高的要求。裝飾電路很多是串連電路，如果有一個發光二極體壞掉將會造成整條線的發光二極體熄滅。而各種顏色的發光二極體中，以GaN(氮化鎵)為材料製作的藍綠光發光二極體的抗靜電能力一直比較薄弱。 近年來臺灣、日本以及國內的一些企業在這方面投入了巨大的研究資源，從多個角度試圖提高晶片的抗靜電能力。晶片的抗靜電能力主要跟兩個因素相關 一是晶片內部的電場和電流 密度分布，二是GaN材料的晶體質量。就電流密度分布來說， 一般情況下， n-GaN:Si的載流子濃度較高，可達到10'8an p-GaN:Mg的載流子濃度較小， 一般為10' cm—3;由於P區的載流子濃度相對較小，因此在p-n結附近，P 區的電場相對較大。對於GaN晶體質量來說，採用金屬氧化物化學氣相沉積技術製備的GaN 晶體往往存在或多或少的缺陷，降低了晶體質量。而且，為了提高器件的 出光效率，位於上層的GaN層需要進行粗化。現有比較普遍的粗化工藝是
低溫生長GaN層，但是低溫工藝會導致晶體質量大大降低，更嚴重的影響 了器件防靜電的性能。 發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種發光二極體器件結構，能夠具 有較好的晶體質量，以及較好的防靜電的能力，使得器件的性能得到提升。為解決上述技術問題，本發明發光二極體器件結構的技術方案是，由 下到上依次包括如下各層藍寶石襯底、緩衝成核層、未摻雜的GaN層、 摻Si的GaN層、多量子阱層、摻Al和Mg的GaN層和摻Mg的GaN層，所 述摻Si的GaN層分為位於下面的第一摻Si的GaN層和位於上面的第二摻 Si的GaN層，所述第一摻Si的GaN層與所述第二摻Si的GaN層之間還包 括有摻Si的AlGaN層。本發明所要解決的另一技術問題是，提供一種發光二極體器件的製作 方法，其步驟簡單易行，製作出的發光二極體器件具有較好的晶體質量和 防靜電能力。為解決上述技術問題，本發明發光二極體器件的製作方法的技術方案 是，包括如下步驟(1) 高溫清潔襯底片採用H2作載氣，反應室溫度1000°C 1200°C， 時間10分鐘 30分鐘；(2) 生長緩衝成核層有機MO源採用TMGa，高純氣體原料採用NH3，以 H2作載氣，反應室溫度500。C 600。C，膜厚20nm 40nm;(3) 生長未摻雜GaN層有機MO源採用TMGa，高純氣體原料採用NH:,，
以H2作載氣，反應室溫度105(TC 115(TC，膜厚0.4pm 1.2"m;(4) 生長N型GaN層先生長第--摻Si的GaN層，然後生長摻Si的A1G油' 層，再生長第二摻Si的GaN層；生長第一 Si的GaN層和第二摻Si的GaN 層時，有機MO源採用TMGa，高純氣體原料採用NH3，以ft作載氣，反應室 溫度105CTC 1150°C;生長摻Si的AlGaN層時，有機MO源採用TMGa、TMAl 、 CP2Mg，高純氣體原料採用NH3，以&和H2混合氣體作載氣，時間為250s 1000s,溫度為850。C 95(TC，壓力為100 Torr 200Torr，膜厚為500 A 1000A;朋3的流量為10L 20L， SiH4流量為2sccm 10sccm， TMA1的流量 為20sccm 50sccm， TMGa流量為15sccm 30sccm;所述N型GaN層總的膜 厚為3 ii m 5 u m;(5) 生長多量子阱層所述多量子阱包括5周期的n-GaN/InGaN，有機 MO源採用TEGa和TMIn，高純氣體原料採用NH3，以^作載氣，反應室溫度 700。C 80。C，壘的膜厚150A 250A，阱的膜厚20A 50A;(6) 生長摻Al和Mg的GaN層有機MO源採用TMGa、 TMA1、 CP2Mg，高 純氣體原料採用NH:i，以隊和H2混合作載氣，反應室溫度850。C 95(TC， 膜厚200A 40A生長時間為100s 400s，壓力為100 200Torr， MV流量 為10L 20L， CP2Mg的流量為300sccm 500sccm， TMA1的流量為20sccm 50sccm， TMGa的流量為15sccm 30sccm;(7) 生長摻Mg的GaN層時間為600s 1200s，溫度為900°C 1000°C， 壓力為100Torr 200Torr,載氣為^和&的混合氣體，&的流量為15L 30L， CP2Mg流量為400sccm 600sccm， TMGa流量為30sccm 60sccm; (8)爐內後退火N2作載氣，反應室溫度60(TC 700。C，時間10分鐘 40 ^牽中。本發明通過上述方法製作發光二極體器件，其步驟簡單，易於實現， 製作出的發光二極體器件具有很好的晶體質量以及良好的防靜電能力，大 大的提高了發光二極體的性能。


下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明-附圖為本發明發光二極體器件的結構示意圖。圖中附圖標記為，l.藍寶石襯底；2.緩衝成核層；3.未摻雜的GaN層； 4.第一摻Si的GaN層；5.摻Si的AlGaN層；6.第二摻Si的GaN層；7.多 量子阱層；8.摻Al和Mg的GaN層；9.摻Mg的高溫GaN層；10.摻Mg的低溫Ga』層。
具體實施方式
本發明發光二極體器件結構可參見附圖所示，由下到上依次包括如下 各層藍寶石襯底l、緩衝成核層2、未摻雜的GaN層3、 N型GaN層、多 量子阱層7、摻Al和Mg的GaN層8和摻Mg的GaN層，所述N型GaN層分 為位於下面的第一摻Si的GaN層4和位於上面的第二摻Si的GaN層6，所 述第一摻Si的GaN層4與所述第二摻Si的GaN層6之間還包括有摻Si的 AlGaN層5。所述第一摻Si的GaN層4、摻Si的AlGaN層5和第二摻Si的GaN層 6的總的厚度為3 u m 5 u m。
所述摻Mg的GaN層包括位於下面的摻Mg的高溫GaN層9和位於上面的摻Mg的低溫GaN層10。所述摻Mg的低溫GaN層10為粗化層。本發明還公開了一種上述的發光二極體器件的製作方法，包括如下步驟(1) 高溫清潔襯底片採用H2作載氣，反應室溫度100(TC 120(TC， 時間10分鐘 30分鐘；(2) 生長緩衝成核層有機MO源採用TMGa，高純氣體原料採用NH3，以 H2作載氣，反應室溫度500。C 600。C，膜厚20ran 40nm;(3) 生長未摻雜GaN層有機MO源採用TMGa，高純氣體原料採用NH3， 以H2作載氣，反應窒溫度105(TC 115(TC，膜厚0.4txm 1.2um;(4) 生長N型Ga^層先生長第一摻Si的GaN層，然後生長摻Si的AlGaN 層，再生長第二摻Si的GaN層；生長第一 Si的GaN層和第二摻Si的GaN 層時，有機MO源採用TMGa，高純氣體原料採用NH3，以H2作載氣，反應室 溫度105(TC 115(TC;生長摻Si的AlGaN層時，有機MO源採用TMGa、TMAl、 CP2Mg，高純氣體原料採用朋3，以Nz和IV混合氣體作載氣，時間為250s 1000s，溫度為850。C 95(TC，壓力為100 Torr 200Torr，膜厚為500 A IOOOA;冊3的流量為10L 20L， SiH4流量為2sccm 10sccm， TMA1的流量 為20sccm 50sccm， TMGa流量為15sccm 30sccm;所述N型GaN層總的膜 厚為3y m 5iini;(5) 生長多量子阱層所述多量子阱包括5周期的n-GaN/InGaN，有機 M0源採用TEGa和TMIn，高純氣體原料採用朋3，以^作載氣，反應室溫度700。C 80(TC，壘的膜厚150A 250A，阱的膜厚20A 50A;(6) 生長摻Al和Mg的GaN層有機MO源採用TMGa、 TMA1、 CP2Mg，高 純氣體原料採用朋3，以N2和H2混合作載氣，反應室溫度85(TC 95(TC， 膜厚200A 400A生長時間為100s 400s，壓力為100 200Torr，朋3流量 為10L 20L， CP2Mg的流量為300sccm 500sccm， TMA1的流量為20sccm 50sccm， TMGa的流量為15sccm 30sccm;(7) 生長摻Mg的GaN層時間為600s 1200s，溫度為90(TC 1000。C， 壓力為100Torr 200Torr，載氣為化和H2的混合氣體，&的流量為15L 30L， CP2Mg流量為400sccm 600sccm， TMGa流量為30sccm 60sccm;(8) 爐內後退火N2作載氣，反應室溫度600°C 700°C,時間10分鐘 40分鐘。在上述發光二極體器件的製作方法的步驟(7)中，先生長摻Mg的高溫GaN層有機MO源採用TMGa， CP2Mg，高純氣體原 料採用NH"以&和H2混合作載氣，反應室溫度900。C 980。C，膜厚30nm 60rmu然後生長摻Mg的低溫GaN層有機MO源採用TMGa， CP2Mg，高純氣體 原料採用NH:!，以N2/U混合作載氣，反應室溫度830。C 恥(TC ，膜厚200nm 400nm。提高器件的抗靜電能力的一種途徑就是提高晶體的結晶質量，在本發 明的器件結構中，在所述多量子阱層7下面，摻Si的GaN層分為位於T面 的第一摻Si的GaN層4和位於上面的第二摻Si的GaN層6,所述第一摻 Si的GaN層4與所述第二摻Si的GaN層6之問還包括有摻Si的AlGaN層 5。這種結構也提高了晶體的結晶質量，從而提高了器件的抗靜電能力。提高器件的抗靜電能力的另一種方法是減弱P型GaN的電場，可以採 用的方法是將P型GaN晶體厚度加厚。這樣在電壓相同的情況下，P區內的 電場得到減弱，電流變小。但是，如果將P型GaN加厚，會影響器件的晶 體質量，甚至影響多量子阱層7的質量。本發明中，所述P型GaN包括摻 Al和Mg的GaN層8、摻Mg的高溫GaN層9和摻Mg的低溫GaN層10，在制 作過程中，先高溫(900。C 980。C)生長較薄層(30mn 60nm)的摻Mg的 高溫GaN層9來確保較好的晶體質量，然後低溫生長較厚(200nm 400咖) 的摻Mg的低溫GaN層lO。為了保護了前面生長的多量子阱層7，避免長時 間的高溫外延對其造成影響，必須採用低溫(83(TC 90(TC)生長摻A1和 Mg的GaN層8。通過優化生長P型GaN時的溫度、壓力、生長速率等關鍵 參數，較好地改善了晶體的結晶狀況，減少了缺陷，達到既能提高晶片的P 層抗靜電能力又可以較好的與粗化結合起來；所謂粗化層就是在生長p-GaN 層時，通過加大三甲基鎵(TMGa)的流量來加快GaN的生長速率，同時加 大P型摻雜二茂鎂(CP2Mg)的濃度，重摻雜的p-GaN可保證PN結的低電 阻性能。本發明通過在摻Mg的低溫GaN層10和摻Al和Mg的GaN層8之間摻 入摻Mg的高溫GaN層9，保證了晶體的缺陷少，也保證了粗化層的實現， 還保護了多量子阱層，既能提高晶片的器件的抗靜電能力，又可以較好的
與粗化結合起來提高出光強度。
權利要求
1. 一種發光二極體器件結構，由下到上依次包括如下各層藍寶石襯底、緩衝成核層、未摻雜的GaN層、N型GaN層、多量子阱層、摻Al和Mg的GaN層和摻Mg的GaN層，其特徵在於，所述N型GaN層分為位於下面的第一摻Si的GaN層和位於上面的第二摻Si的GaN層，所述第一摻Si的GaN層與所述第二摻Si的GaN層之間還包括有摻Si的AlGaN層。
2. 根據權利要求1所述的發光二極體器件結構，其特徵在於，所述第 一摻Si的GaN層、摻Si的AlGaN層和第二摻Si的GaN層的總的厚度為3 li m 5 p m。
3. 根據權利要求1所述的發光二極體器件結構，其特徵在於，所述摻 Mg的GaN層包括位於下面的摻Mg的高溫GaN層和位於上面的摻Mg的低溫 GaN層。
4. 根據權利要求3所述的發光二極體器件結構，其特徵在於，所述摻 Mg的低溫GaN層為粗化層。
5. —種如權利要求1所述的發光二極體器件的製作方法，其特徵在於， 包括如下歩驟(1) 高溫清潔襯底片採用H2作載氣，反應室溫度100(TC 120(TC， 時間10分鐘 30分鐘；(2) 生長緩衝成核層有機MO源採用TMGa，高純氣體原料採用NH"以 H2作載氣，反應室溫度50(TC 60(TC，膜厚20nm 40nm;(3) 生長未摻雜GaN層有機MO源採用TMGa，高純氣體原料採用NH" 以H"乍載氣，反應室溫度105(TC 115(TC，膜厚0.4nm 1.2um;(4) 生長N型GaN層先生長第一摻Si的GaN層，然後生長摻Si的AlGaN 層，再生長第二摻Si的GaN層；生長第一 Si的GaN層和第二摻Si的GaN 層時，有機MO源釆用TMGa，高純氣體原料釆用NH3,以&作載氣，反應室 溫度105(TC 1150。C;生長摻Si的AlGaN層時，有機MO源採用TMGa、TMAl、 CP2Mg，高純氣體原料採用朋3，以&和H2混合氣體作載氣，時間為250s lOOOs，溫度為850。C 950。C，壓力為100 Torr 200Torr，膜厚為500 A IOOOA; NH3的流量為10L 20L， Si仏流量為2sccm 10sccm， TMA1的流量 為20sccm 50sccm， TMGa流量為15sccm 30sccm;所述N型GaN層總的膜 厚為3 li m 5y m;(5) 生長多量子阱層所述多量子阱包括5周期的n-GaN/InGaN，有機 MO源採用TEGa和TMIn，高純氣體原料採用NH3，以隊作載氣，反應室溫度 70(TC 80(TC，壘的膜厚150A 250A，阱的膜厚20A 50A;(6) 生長摻A1和Mg的GaN層有機MO源採用TMGa、 TMA1、 CP2Mg，高 純氣體原料採用NH3，以化和H2混合作載氣，反應室溫度850。C 95(rC， 膜厚200A 400A生長時間為100s 400s，壓力為100 200Torr， NH,流量 為10L 20L， CP2Mg的流量為300sccm 500sccm， TMA1的流量為20sccm 50sccm， TMGa的流量為15sccm 30sccm;(7) 生長摻Mg的GaN層時間為600s 1200s，溫度為900°C 1000°C， 壓力為100Torr 200Torr，載氣為！^和H2的混合氣體，N2的流量為15L 30L， CP2Mg流量為400sccm 600sccm， TMGa流量為30sccm 60sccm;(8) 爐內後退火N2作載氣，反應室溫度60(TC 70(rC，時間10分鐘 40分鐘。
6.根據權利要求5所述的發光二極體半導體器件的製作方法，其特徵在於，在步驟(7)中，先生長摻Mg的高溫GaN層有機MO源釆用TMGa， CP2Mg,高純氣體原料採用鵬,，以K和H2混合作載氣，反應室溫度900°C 980°C，膜厚30nm 60nm;然後生長摻Mg的低溫GaN層有機MO源採用TMGa， CP2Mg，高純氣體 原料採用NH3,以Ns和Hr混合作載氣，反應室溫度83(TC 90(TC，膜厚 200nm 400nm。
全文摘要
本發明公開了一種發光二極體器件結構，由下到上依次包括如下各層藍寶石襯底、緩衝成核層、未摻雜的GaN層、N型GaN層、多量子阱層、摻Al和Mg的GaN層和摻Mg的GaN層，所述N型GaN層分為位於下面的第一摻Si的GaN層和位於上面的第二摻Si的GaN層，所述第一摻Si的GaN層與所述第二摻Si的GaN層之間還包括有摻Si的AlGaN層。本發明還公開了上述發光二極體器件的製作方法，在製作N型GaN層的時候，包括先生長第一摻Si的GaN層，然後生長摻Si的AlGaN層，再生長第二摻Si的GaN層的步驟。本發明通過上述方法製作發光二極體器件，其步驟簡單，易於實現，製作出的發光二極體器件具有很好的防靜電能力和晶體結構，大大的提高了發光二極體的性能。
文檔編號H01L33/00GK101212000SQ200610148298
公開日2008年7月2日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者丁曉民, 付小朝, 輝 季, 朱廣敏, 黃寶億 申請人:上海藍光科技有限公司