專利名稱：一種大功率氮化物led結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，具體涉及一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種能將電信號轉(zhuǎn)換成光信號的結(jié)構(gòu)型電致發(fā)光的半導(dǎo)體器件。氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管作為固態(tài)光源一經(jīng)出現(xiàn)便以其高效率、長壽命、節(jié)能環(huán)保、體積小等優(yōu)點被譽為繼電燈后人類照明史上的又一次革命，成為國際半導(dǎo)體和照明領(lǐng)域研發(fā)與產(chǎn)業(yè)關(guān)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(xù)可調(diào)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范圍，是制造藍光、綠光和白光發(fā)光器件的理想材料?，F(xiàn)有常規(guī)的GaN基氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)(參見圖I )，為在藍寶石襯底101的一面外延生長緩沖層102、未摻雜GaN層103、η型層104、有源層105、ρ型層106、透明導(dǎo)電層107 ;在透明導(dǎo)電層107的上表面設(shè)置P電極108并在緩沖層102的上表面設(shè)置η電極109 (參見圖2)。所述P電極108和η電極109位于藍寶石襯底101的同一側(cè)。半導(dǎo)體發(fā)光器件工作室的電流從P電極108流經(jīng)P型層106、有源層105、η型層104到達η電極109 (參見圖2)。但是，由于P型層106中Mg的活化效率較低及壓電效應(yīng)影響，器件的發(fā)光效率一直不高。同時，由于η電極109 —般制作在η型層104上面，導(dǎo)致在拐角位置電流擁堵嚴重，從而出現(xiàn)較為嚴重的發(fā)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。由于藍寶石襯底是絕緣材料，因摩擦、感應(yīng)、傳導(dǎo)等因素而產(chǎn)生的電荷難以從襯底方向釋放，當(dāng)電荷積累到一定程度就會產(chǎn)生靜電釋放現(xiàn)象(ElectriStatic Discharge,簡稱ESD)。故而以藍寶石為襯底的GaN基LED芯片屬于靜電敏感器件，其抗靜電能力較差?，F(xiàn)在有些企業(yè)或研究機構(gòu)為了提高GaN基器件的抗靜電能力而引入了較為復(fù)雜的器件制造方法，有一定效果。但是，單獨為解決抗靜電問題而引入復(fù)雜的制造方法會提高器件的制造成本。所以，還是應(yīng)研究在外延過程中引入新的結(jié)構(gòu)以抵御靜電釋放現(xiàn)象(ESD)對器件的損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決上述問題，提供一種含有電容式結(jié)構(gòu)的大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，通過在LED外延片中形成電容結(jié)構(gòu)，一方面改善器件內(nèi)載流子遷移率和出光光路，增加載流子復(fù)合幾率，提高器件的出光效率同時降低壓電效應(yīng)的影響；另一方面在透明導(dǎo)電層和P型層之間加入第二未摻雜GaN層起緩沖作用，改善電流擁堵現(xiàn)象，減少發(fā)熱，從而延長器件使用壽命，減少光衰；再一方面，由于電容式結(jié)構(gòu)的保護作用可以提高器件的抗靜電能力。本發(fā)明的第二個目的是，提供所述大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的制造方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下?！N大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu),在襯底的一面包括緩沖層、第一未摻雜GaN層、η型層、有源層、P型層、透明導(dǎo)電層、P電極和η電極，其特征在于，在P型層與透明導(dǎo)電層之間夾有一層第二未摻雜GaN層,在所述透明導(dǎo)電層上制作P電極；將外延結(jié)構(gòu)蝕刻至露出緩沖層或接近露出緩沖層，在所述緩沖層上或者接近露出緩沖層的第一未摻雜GaN層上制作η電極；所述P型層為摻Mg GaN結(jié)構(gòu)層，其厚度為50 300nm?？蛇x的，所述P型層或為摻雜濃度固定的結(jié)構(gòu)或為摻雜濃度漸變的結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)層。進一步，所述粗糙化表面包括不規(guī)則粗糙面和規(guī)格圖形化面。進一步，所述規(guī)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電極與所述緩沖層為直接(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層與所述緩沖層連接。為實現(xiàn)上述第二目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下。一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的制造方法，采用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)生長，其特征是，其生長步驟包括
(1)根據(jù)襯底性質(zhì)選用對應(yīng)的方法對襯底進行清洗，然后將襯底置于外延生長爐內(nèi)；
(2)將爐溫調(diào)至530 560°C，在襯底上生長20 35nm厚度的低溫氮化鎵緩沖層；
(3)將爐溫升至1050 1150°C，在緩沖層上生長I 2.3um厚度的第一未摻雜GaN層；
(4)將爐溫調(diào)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(diào)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(jù)芯片工藝制作透明導(dǎo)電層、P電極和η電極。進一步，步驟(6)所述的P型層優(yōu)選濃度漸變式結(jié)構(gòu)。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(guī)則粗糙面和規(guī)格圖形化面，所述粗糙化表面采用調(diào)整外延工藝參數(shù)、光刻加蝕刻的芯片工藝制作。進一步，所述規(guī)格圖形包括圓形、條形、正方形、長方形或者六邊形。本發(fā)明的積極效果是(I)通過在外延結(jié)構(gòu)中插入第二未摻雜GaN層，可形成電容式結(jié)構(gòu)，改善載流子遷移率尤其是空穴的遷移率，提高有源區(qū)電子和空穴的復(fù)合效率，同時能夠降低壓電效應(yīng)的影響，提高器件抗靜電的能力。(2)在外延結(jié)構(gòu)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(fā)熱，從而延長器件使用壽命、減少光衰。


圖I為現(xiàn)有氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的外延結(jié)構(gòu)示意圖；CN 102945901 A
說明書3/4頁
圖2為現(xiàn)有氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)電極連接的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的標(biāo)號分別為
101、襯底；102、緩沖層;103、未摻雜GaN層；104、η型層;105、有源層；
106、ρ型層；107、透明導(dǎo)電層;108、ρ電極;109、η電極。圖3為本發(fā)明一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的外延結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)η電極與緩沖層實接的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)η電極與緩沖層虛接的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的標(biāo)號分別為
201、襯底;202、緩沖層;203、第一未摻雜GaN層；204、η型層；
205、有源層；206、ρ型層；207、透明導(dǎo)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(jié)合附圖給出本發(fā)明一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的具體實施方式
，提供2個具體實施例。但是需要指出，本發(fā)明的實施不限于以下的實施內(nèi)容。實施例I
參見圖3和4。一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，包括襯底201、緩沖層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(dǎo)電層207、ρ電極208和η電極209。所述襯底201采用藍寶石、碳化硅、氮化鎵或硅材料中的一種。本實施例優(yōu)選藍寶石襯底201。本實施例的大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的制造方法為，采用金屬有機化合物氣相沉積法(MOCVD)在藍寶石襯底201上依次生長緩沖層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(jù)藍寶石襯底201的性質(zhì)選用對應(yīng)的方法進行清洗，然后將藍寶石襯底201置于外延生長爐內(nèi)。(2)將溫度調(diào)至530°C，在襯底201上生長20nm厚度的低溫氮化鎵緩沖層202。(3)將溫度升至1050°C，在緩沖層202上生長Ium厚度的第一未摻雜GaN層203。(4)將溫度調(diào)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(yōu)選濃度漸變式結(jié)構(gòu)。(7)將溫度調(diào)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選用本征GaN材料，其頂部不做粗糙化處理；
然后，在第二未摻雜GaN層210上生長透明導(dǎo)電層207。(8)在外延結(jié)構(gòu)生長完之后按照現(xiàn)有的芯片工藝在外延結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電層207上制作P電極208以及制作η電極209 ;要注意的是在制作η電極209時，其蝕刻深度要求蝕刻到緩沖層202，使η電極209能直接連接在露出的緩沖層202上(見圖4)，所述η電極209與所述緩沖層202為實接(直接接觸)。
5
本實施例的大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)由于引入了電容式結(jié)構(gòu)，加電后會在外延結(jié)構(gòu)兩邊形成附加電場，一方面可以降低壓電效應(yīng)影響，增加載流子的遷移速率，增大載流子的復(fù)合幾率，從而提高發(fā)光效率；另一方面時由于電容式結(jié)構(gòu)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L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，包括襯底201、緩沖層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(dǎo)電層207、p電極208和η電極209。所述襯底201采用藍寶石、碳化硅、氮化鎵或硅材料中的一種。本實施例優(yōu)選藍寶石襯底201。其具體生長步驟包括
(I)根據(jù)藍寶石襯底201的性質(zhì)選用對應(yīng)的方法進行清洗，然后將藍寶石襯底201置于外延生長爐內(nèi)。(2)將溫度調(diào)至560°C，在襯底201上生長35nm厚度的低溫氮化鎵緩沖層202。(3)將溫度升至1150°C，在緩沖層202上生長2. 3um厚度的第一未摻雜GaN層203。(4)將溫度調(diào)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，后調(diào)整工藝參數(shù)使摻雜濃度梯度降低為0，總厚度保持300nm。(7)將溫度調(diào)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選用本征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(diào)整溫度、壓強等工藝(參數(shù))來實現(xiàn)。然后，在第二未摻雜GaN層210上生長透明導(dǎo)電層207。(8)在外延結(jié)構(gòu)生長完之后按照現(xiàn)有的芯片工藝在外延結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電層207上制作P電極208以及制作η電極209。要注意的是在制作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(yīng)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間接地與緩沖層202連接的(見圖5)。在實施例2中，由于采用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(zhì)量。由于引入了電容式結(jié)構(gòu)，加電后會在外延結(jié)構(gòu)兩邊形成附加電場，一方面可以降低壓電效應(yīng)影響，增加載流子的遷移速率，增大載流子的復(fù)合幾率，提高發(fā)光效率。與此同時，由于電容式結(jié)構(gòu)的保護作用，可增加器件的抗靜電能力。最后，由于粗化第二未摻雜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(fā)光效率。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明結(jié)構(gòu)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(yīng)該視為本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu),在襯底的一面包括緩沖層、第一未摻雜GaN層、η型層、有源層、P型層、透明導(dǎo)電層、P電極和η電極，其特征在于，在P型層與透明導(dǎo)電層之間夾有一層第二未摻雜GaN層，在所述透明導(dǎo)電層上制作P電極；將外延結(jié)構(gòu)蝕刻至露出緩沖層或接近露出緩沖層，在所述緩沖層上或者接近露出緩沖層的第一未摻雜GaN層上制作η電極；所述P型層為摻Mg GaN結(jié)構(gòu)層，其厚度為50 300nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型層或為摻雜濃度固定的結(jié)構(gòu)或為摻雜濃度漸變的結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二未摻雜GaN層為厚20 500nm、具有粗糙化表面的結(jié)構(gòu)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述粗糙化表面包括不規(guī)則粗糙面和規(guī)格圖形化面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述規(guī)格圖形包括圓形、條形、正方形、長方形或者六邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述η電極與所述緩沖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層與所述緩沖層連接。
7.一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的制造方法，采用金屬有機化合物氣相沉積法生長，其特征在于，其生長步驟包括(1)根據(jù)襯底性質(zhì)選用對應(yīng)的方法對襯底進行清洗，然后將襯底置于外延生長爐內(nèi)；(2)將爐溫調(diào)至530 560°C，在襯底上生長20 35nm厚度的低溫氮化鎵緩沖層；1150°C，在緩沖層上生長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(diào)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(diào)至1050 層；(8)根據(jù)芯片工藝制作透明導(dǎo)電層、P電極和η電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，步驟(6)所述的P型層優(yōu)選濃度漸變式結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，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(guī)則粗糙面和規(guī)格圖形化面，所述粗糙化表面采用調(diào)整外延工藝參數(shù)、光刻加蝕刻的芯片工藝制作。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述規(guī)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(fā)明一種大功率氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)，在襯底的一面生長緩沖層、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(dǎo)電層并設(shè)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(dǎo)電層之間，其厚度為20～100nm，具有粗糙化的表面結(jié)構(gòu)；在透明導(dǎo)電層上制作p電極；將外延結(jié)構(gòu)蝕刻至露出或接近露出緩沖層，在緩沖層上或第一未摻雜GaN層上制作n電極。本發(fā)明制造方法的要點是在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(dǎo)電層，然后制作p電極和n電極。本發(fā)明可形成電容式結(jié)構(gòu)，提高出光效率，降低壓電效應(yīng)的影響，改善電流擁堵現(xiàn)象，減少LED器件的發(fā)熱，提高產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者薛進營, 楊旅云, 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(昆山)有限公司