一種大功率氮化物led結構及其製造方法
2023-06-01 23:25:16 1
專利名稱：一種大功率氮化物led結構及其製造方法
技術領域：
本發明專利涉及半導體製造領域，具體涉及一種大功率氮化物LED結構及其製造方法。
背景技術：
發光二極體(LED)是一種能將電信號轉換成光信號的結構型電致發光的半導體器件。氮化鎵(GaN)基發光二極體作為固態光源一經出現便以其高效率、長壽命、節能環保、體積小等優點被譽為繼電燈後人類照明史上的又一次革命，成為國際半導體和照明領域研發與產業關注的焦點。以氮化鎵(GaN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)和氮化銦鋁鎵(AlGaInN)為主的III V族氮化物材料具有連續可調的直接帶寬為O. 7 6. 2eV,它們覆蓋了從紫外光到紅外光的光譜範圍，是製造藍光、綠光和白光發光器件的理想材料。現有常規的GaN基氮化物LED結構(參見圖I )，為在藍寶石襯底101的一面外延生長緩衝層102、未摻雜GaN層103、η型層104、有源層105、ρ型層106、透明導電層107 ;在透明導電層107的上表面設置P電極108並在緩衝層102的上表面設置η電極109 (參見圖2)。所述P電極108和η電極109位於藍寶石襯底101的同一側。半導體發光器件工作室的電流從P電極108流經P型層106、有源層105、η型層104到達η電極109 (參見圖2)。但是，由於P型層106中Mg的活化效率較低及壓電效應影響，器件的發光效率一直不高。同時，由於η電極109 —般製作在η型層104上面，導致在拐角位置電流擁堵嚴重，從而出現較為嚴重的發熱問題，這不僅影響器件的使用壽命，也會使器件的光衰比較嚴重。由於藍寶石襯底是絕緣材料，因摩擦、感應、傳導等因素而產生的電荷難以從襯底方向釋放，當電荷積累到一定程度就會產生靜電釋放現象(ElectriStatic Discharge,簡稱ESD)。故而以藍寶石為襯底的GaN基LED晶片屬於靜電敏感器件，其抗靜電能力較差。現在有些企業或研究機構為了提高GaN基器件的抗靜電能力而引入了較為複雜的器件製造方法，有一定效果。但是，單獨為解決抗靜電問題而引入複雜的製造方法會提高器件的製造成本。所以，還是應研究在外延過程中引入新的結構以抵禦靜電釋放現象(ESD)對器件的損傷。
發明內容
本發明的目的是要解決上述問題，提供一種含有電容式結構的大功率氮化物LED結構，通過在LED外延片中形成電容結構，一方面改善器件內載流子遷移率和出光光路，增加載流子複合機率，提高器件的出光效率同時降低壓電效應的影響；另一方面在透明導電層和P型層之間加入第二未摻雜GaN層起緩衝作用，改善電流擁堵現象，減少發熱，從而延長器件使用壽命，減少光衰；再一方面，由於電容式結構的保護作用可以提高器件的抗靜電能力。本發明的第二個目的是，提供所述大功率氮化物LED結構的製造方法。為實現上述目的，本發明採取的技術方案如下。—種大功率氮化物LED結構,在襯底的一面包括緩衝層、第一未摻雜GaN層、η型層、有源層、P型層、透明導電層、P電極和η電極，其特徵在於，在P型層與透明導電層之間夾有一層第二未摻雜GaN層,在所述透明導電層上製作P電極；將外延結構蝕刻至露出緩衝層或接近露出緩衝層，在所述緩衝層上或者接近露出緩衝層的第一未摻雜GaN層上製作η電極；所述P型層為摻Mg GaN結構層，其厚度為50 300nm。可選的，所述P型層或為摻雜濃度固定的結構或為摻雜濃度漸變的結構。進一步，所述第二未摻雜GaN層為厚20 500nm、具有粗糙化表面的結構層。進一步，所述粗糙化表面包括不規則粗糙面和規格圖形化面。進一步，所述規格圖形包括圓形、條形、正方形、長方形或者六邊形。進一步，所述η電極與所述緩衝層為直接(直接接觸)或者虛接(間接接觸)，所述虛接為所述η電極通過非常薄的(程度為「接近露出」)第一未摻雜GaN層與所述緩衝層連接。為實現上述第二目的，本發明採取的技術方案如下。一種大功率氮化物LED結構的製造方法，採用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)生長，其特徵是，其生長步驟包括
(1)根據襯底性質選用對應的方法對襯底進行清洗，然後將襯底置於外延生長爐內；
(2)將爐溫調至530 560°C，在襯底上生長20 35nm厚度的低溫氮化鎵緩衝層；
(3)將爐溫升至1050 1150°C，在緩衝層上生長I 2.3um厚度的第一未摻雜GaN層；
(4)將爐溫調至950 1250°C，生長厚度為I 2.5um的η型層；
(5)將爐溫降至750 860°C，在η型層上生長5 15周期的InGaN/GaN的多量子阱有源層；
(6)將爐溫再升至930 1100°C，在有源層上生長50 300nm厚度的P型層；
(7)將爐溫調至1050 1150°C，在P型層上生長厚度為20 500nm的第二未摻雜GaN
層；
(8)根據晶片工藝製作透明導電層、P電極和η電極。進一步，步驟(6)所述的P型層優選濃度漸變式結構。進一步，步驟(7)所述的第二未摻雜GaN層具有粗糙化表面，所述粗糙化表面包括不規則粗糙面和規格圖形化面，所述粗糙化表面採用調整外延工藝參數、光刻加蝕刻的晶片工藝製作。進一步，所述規格圖形包括圓形、條形、正方形、長方形或者六邊形。本發明的積極效果是(I)通過在外延結構中插入第二未摻雜GaN層，可形成電容式結構，改善載流子遷移率尤其是空穴的遷移率，提高有源區電子和空穴的複合效率，同時能夠降低壓電效應的影響，提高器件抗靜電的能力。(2)在外延結構中插入粗糙化的第二未摻雜GaN層可改變出光光路，增加光線輻射出器件的概率，提高器件的出光效率。(3)引入第二未摻雜GaN層同時虛接η電極可改善器件的電流分布，減少發熱，從而延長器件使用壽命、減少光衰。
圖I為現有氮化物LED結構的外延結構示意圖；CN 102945901 A
說明書3/4頁
圖2為現有氮化物LED結構電極連接的結構示意圖。圖中的標號分別為
101、襯底；102、緩衝層;103、未摻雜GaN層；104、η型層;105、有源層；
106、ρ型層；107、透明導電層;108、ρ電極;109、η電極。圖3為本發明一種大功率氮化物LED結構的外延結構示意圖。圖4為本發明一種大功率氮化物LED結構η電極與緩衝層實接的結構示意圖。
圖5為本發明一種大功率氮化物LED結構η電極與緩衝層虛接的結構示意圖。圖中的標號分別為
201、襯底;202、緩衝層;203、第一未摻雜GaN層；204、η型層；
205、有源層；206、ρ型層；207、透明導電層;208、ρ電極；
209、η電極；210、第二未摻雜GaN層。
具體實施例方式以下結合附圖給出本發明一種大功率氮化物LED結構的具體實施方式
，提供2個具體實施例。但是需要指出，本發明的實施不限於以下的實施內容。實施例I
參見圖3和4。一種大功率氮化物LED結構，包括襯底201、緩衝層202、第一未摻雜GaN層203、η型層204、有源層205、P型層206、第二未摻雜GaN層210、透明導電層207、ρ電極208和η電極209。所述襯底201採用藍寶石、碳化矽、氮化鎵或矽材料中的一種。本實施例優選藍寶石襯底201。本實施例的大功率氮化物LED結構的製造方法為，採用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)在藍寶石襯底201上依次生長緩衝層202、第一未摻雜GaN層203、η型層204、有源層205、ρ型層206、第二未摻雜GaN層210，其具體生長步驟包括
(I)根據藍寶石襯底201的性質選用對應的方法進行清洗，然後將藍寶石襯底201置於外延生長爐內。(2)將溫度調至530°C，在襯底201上生長20nm厚度的低溫氮化鎵緩衝層202。(3)將溫度升至1050°C，在緩衝層202上生長Ium厚度的第一未摻雜GaN層203。(4)將溫度調至950°C，生長厚度為Ium的η型層204。(5)將溫度降至750°C，在η型層204上生長5周期的InGaN/GaN的多量子阱有源層205，其中壘層生長溫度為750°C，厚度12nm ;阱層生長溫度為710°C，厚度I. 5nm。(6)將溫度再升至930°C，在有源層205上生長50nm厚度的ρ型層206，所述ρ型層206為摻Mg GaN層，摻雜濃度為I. 5 X IO17CnT3 ;優選濃度漸變式結構。(7)將溫度調至1050°C，在ρ型層206上生長厚度為20nm的第二未摻雜GaN層210 ;所述第二未摻雜GaN層210選用本徵GaN材料，其頂部不做粗糙化處理；
然後，在第二未摻雜GaN層210上生長透明導電層207。(8)在外延結構生長完之後按照現有的晶片工藝在外延結構的透明導電層207上製作P電極208以及製作η電極209 ;要注意的是在製作η電極209時，其蝕刻深度要求蝕刻到緩衝層202，使η電極209能直接連接在露出的緩衝層202上(見圖4)，所述η電極209與所述緩衝層202為實接(直接接觸)。
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本實施例的大功率氮化物LED結構由於引入了電容式結構，加電後會在外延結構兩邊形成附加電場，一方面可以降低壓電效應影響，增加載流子的遷移速率，增大載流子的複合機率，從而提高發光效率；另一方面時由於電容式結構的保護作用，可以增加器件的抗靜電能力。實施例2
參見圖3和5。一種大功率氮化物LED結構，包括襯底201、緩衝層202、第一未摻雜GaN層203、n型層204、有源層205、p型層206、第二未摻雜GaN層210、透明導電層207、p電極208和η電極209。所述襯底201採用藍寶石、碳化矽、氮化鎵或矽材料中的一種。本實施例優選藍寶石襯底201。其具體生長步驟包括
(I)根據藍寶石襯底201的性質選用對應的方法進行清洗，然後將藍寶石襯底201置於外延生長爐內。(2)將溫度調至560°C，在襯底201上生長35nm厚度的低溫氮化鎵緩衝層202。(3)將溫度升至1150°C，在緩衝層202上生長2. 3um厚度的第一未摻雜GaN層203。(4)將溫度調至1250°C，生長厚度為2. 5um的η型層204。(5)將溫度降至860°C，在η型層204上生長15周期的InGaN/GaN的多量子阱有源層205，其中壘層生長溫度為860°C，厚度為15nm，阱層生長溫度為810°C，厚度為2nm。(6)將溫度再升至1100°C，在有源層205上生長300nm厚度的ρ型層206，所述ρ型層206為摻Mg GaN層，摻雜濃度為I. 5 X 1017cm_3，生長厚度為150nm，後調整工藝參數使摻雜濃度梯度降低為0，總厚度保持300nm。(7)將溫度調至1150°C，在ρ型層206生長第二未摻雜層210 ;所述第二未摻雜GaN層210選用本徵GaN材料，厚度為50nm，其頂部做粗糙化處理；所述粗化處理可通過調整溫度、壓強等工藝(參數)來實現。然後，在第二未摻雜GaN層210上生長透明導電層207。(8)在外延結構生長完之後按照現有的晶片工藝在外延結構的透明導電層207上製作P電極208以及製作η電極209。要注意的是在製作η電極209時，其蝕刻深度要求蝕刻到第一未摻雜GaN層203，但是，保留的第一未摻雜GaN層203應該是非常薄的，其程度為「接近露出」，使η電極209雖連接在很薄的第一未摻雜GaN層203上，但是，所述η電極209是通過很薄的第一未摻雜GaN層203間接地與緩衝層202連接的(見圖5)。在實施例2中，由於採用ρ型層206摻Mg的濃度漸變從而可以獲得更高的未摻雜GaN晶體質量。由於引入了電容式結構，加電後會在外延結構兩邊形成附加電場，一方面可以降低壓電效應影響，增加載流子的遷移速率，增大載流子的複合機率，提高發光效率。與此同時，由於電容式結構的保護作用，可增加器件的抗靜電能力。最後，由於粗化第二未摻雜GaN層210，可改變器件的出光光路，從而提高器件的外量子效率，獲得較好的發光效率。以上所述僅為本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員而言，在不脫離本發明結構的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應該視為本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種大功率氮化物LED結構,在襯底的一面包括緩衝層、第一未摻雜GaN層、η型層、有源層、P型層、透明導電層、P電極和η電極，其特徵在於，在P型層與透明導電層之間夾有一層第二未摻雜GaN層，在所述透明導電層上製作P電極；將外延結構蝕刻至露出緩衝層或接近露出緩衝層，在所述緩衝層上或者接近露出緩衝層的第一未摻雜GaN層上製作η電極；所述P型層為摻Mg GaN結構層，其厚度為50 300nm。
2.根據權利要求I所述的一種大功率氮化物LED結構，其特徵在於，所述P型層或為摻雜濃度固定的結構或為摻雜濃度漸變的結構。
3.根據權利要求I所述的一種大功率氮化物LED結構，其特徵在於，所述第二未摻雜GaN層為厚20 500nm、具有粗糙化表面的結構層。
4.根據權利要求3所述的一種大功率氮化物LED結構，其特徵在於，所述粗糙化表面包括不規則粗糙面和規格圖形化面。
5.根據權利要求4所述的一種大功率氮化物LED結構，其特徵在於，所述規格圖形包括圓形、條形、正方形、長方形或者六邊形。
6.根據權利要求I所述的一種大功率氮化物LED結構，其特徵在於，所述η電極與所述緩衝層為直接連接或者虛接，所述虛接為所述η電極通過非常薄的第一未摻雜GaN層與所述緩衝層連接。
7.一種大功率氮化物LED結構的製造方法，採用金屬有機化合物氣相沉積法生長，其特徵在於，其生長步驟包括(1)根據襯底性質選用對應的方法對襯底進行清洗，然後將襯底置於外延生長爐內；(2)將爐溫調至530 560°C，在襯底上生長20 35nm厚度的低溫氮化鎵緩衝層；1150°C，在緩衝層上生長I 2. 3um厚度的第一未摻雜GaN層；12500C，生長厚度為I 2. 5um的η型層；860°C，在η型層上生長5 15周期的InGaN/GaN的多量子阱 1100°C，在有源層上生長50 300nm厚度的P型層；1150°C，在P型層上生長厚度為20 500nm的第二未摻雜GaN(3)將爐溫升至1050 (4)將爐溫調至950 (5)將爐溫降至750 有源層；(6)將爐溫再升至930(7)將爐溫調至1050 層；(8)根據晶片工藝製作透明導電層、P電極和η電極。
8.根據權利要求7所述的一種大功率氮化物LED結構的製造方法，其特徵在於，步驟(6)所述的P型層優選濃度漸變式結構。
9.根據權利要求7所述的一種大功率氮化物LED結構的製造方法，其特徵在於，步驟(7)所述的第二未摻雜GaN層具有粗糙化表面，所述粗糙化表面包括不規則粗糙面和規格圖形化面，所述粗糙化表面採用調整外延工藝參數、光刻加蝕刻的晶片工藝製作。
10.根據權利要求9所述的一種大功率氮化物LED結構的製造方法，其特徵在於，所述規格圖形包括圓形、條形、正方形、長方形或者六邊形。全文摘要
本發明一種大功率氮化物LED結構，在襯底的一面生長緩衝層、第一未摻雜GaN層、n型層、有源層、p型層、第二未摻雜GaN層、透明導電層並設置p電極和n電極，所述第二未摻雜GaN層生長在p型層與透明導電層之間，其厚度為20～100nm，具有粗糙化的表面結構；在透明導電層上製作p電極；將外延結構蝕刻至露出或接近露出緩衝層，在緩衝層上或第一未摻雜GaN層上製作n電極。本發明製造方法的要點是在p型層上生長第二未摻雜GaN層，在第二未摻雜GaN層上生長透明導電層，然後製作p電極和n電極。本發明可形成電容式結構，提高出光效率，降低壓電效應的影響，改善電流擁堵現象，減少LED器件的發熱，提高產品的競爭能力。
文檔編號H01L33/02GK102945901SQ20121042188
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者薛進營, 楊旅雲, 王明輝, 夏成, 吳東平, 張國龍, 陳曉鵬, 常志偉 申請人:施科特光電材料(崑山)有限公司