专利名称：一种提高氮化镓基led芯片抗静电能力的外延片生长方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化镓(GaN)及其化合物薄膜的异质外延生长方法，特别涉及在p型氮化镓层(p-GaN)生长过程中引入均匀分布的缺陷形成电流释放通道与通过降低应力提高晶体质量的GaN基LED外延片生长方法。
背景技术：
以GaN、InGaN、AlGaN合金为主的III-V族氮化物材料具有直接宽带隙且连续可调(1.8-6.2eV)，覆盖了从红外到紫外的广泛光谱区域，是制造高亮度蓝、绿光和白光发光二极管(LED，Light Emitting Diode)的理想材料，广泛应用于大屏幕彩色显示、交通信号、照明、光通信等领域。
GaN在蓝宝石(Al2O3)衬底上异质外延生长时，由于晶格常数和热膨胀系数的失配，会引发界面处大量位错和缺陷的产生，缺陷密度高达1×1081×1010/cm3，极大地影响材料的光电性能；以蓝宝石为衬底的常规GaN基LED芯片的p型电极及n型电极位于同一侧，电流密度分布不均匀。上述因素决定了采用蓝宝石作为衬底的GaN基LED芯片属静电敏感器件，其抗静电放电(ESD，Electro Static Discharge)能力较差。GaN基LED芯片的抗ESD能力通常低于人体模型±1000V。
大功率LED器件取代小功率LED器件是半导体照明工程的必然趋势，但是随着芯片尺寸的加大，GaN外延薄膜中的大量位错所引起的光电性能下降亦成放大效应；并且由于芯片的电极面积和电极间距加大，扩大了接触静电放电效应，因此大功率LED芯片受到静电损伤的几率要大得多。大功率GaN基LED芯片的抗ESD能力通常低于人体模型±500V。
静电放电会造成LED器件突发性失效或潜在性失效，ESD损伤是引起LED器件失效的主要原因。优化GaN基LED外延层结构，生长较高晶体质量的p-GaN外延层，对提高LED芯片抗ESD能力至关重要。本发明的目的是在优化的GaN基LED外延层结构基础上，通过一种新型的p-GaN外延层生长方法，实现防高静电的GaN基LED芯片外延片生长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长方法，该方法通过在p-GaN层中形成电流释放通道，并通过降低外延薄膜的应力以提高晶体质量的生长方法，实现了在保证小芯片良好的抗ESD良品率的前提下有效提高大芯片抗ESD良品率的GaN基LED外延片的制备。
本发明的技术方案为一种提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长方法，该外延片结构包括低温氮化镓缓冲层——LT-GaN Buffer、非掺杂氮化镓——u-GaN层、n型氮化镓——n-GaN层、多量子阱——MQW层、p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层、p型氮化镓——p-GaN层，在p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层与p型氮化镓——p-GaN层之间形成细小均匀分布的游离金属滴，形成电流释放通道；并通过降低外延薄膜的应力提高p-GaN外延层的晶体质量。
所述提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长步骤为在1100℃下用H2高温烘烤蓝宝石衬底10分钟；降温至550℃生长25nm厚度的低温氮化镓缓冲层——LT-GaN Buffer；升温至1050℃生长厚度1.0μm的非掺杂氮化镓——u-GaN层；生长3.5μm的n型氮化镓——n-GaN层；降低生长温度至750-850℃，生长6个周期的InGaN/GaN的多量子阱——MQW层；升温至950℃，生长50nm厚度的p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层，然后短暂中断NH3供应，导致p-Al0.15Ga0.85N层部分分解；p型氮化镓——p-GaN层生长分两步进行，在两步生长过程中对外延薄膜作一次降温、升温退火处理。
在p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层与p型氮化镓——p-GaN层之间形成细小均匀分布的游离金属滴，采用以下步骤50nm厚度的p-Al0.15Ga0.85N层生长结束后，将进入反应器的NH3切换至旁路5-30秒，p-Al0.15Ga0.85N层部分分解，在外延薄膜上形成细小均匀分布的游离金属滴。
通过降低外延薄膜的应力提高p型氮化镓——p-GaN层的晶体质量，采用以下步骤p-GaN外延层生长分两步进行，首先在p-GaN层生长至20-80nm时，中断生长，并将温度降至500℃，对外延薄膜退火处理；然后再升温至950℃，生长厚度为130-180nm的p-GaN覆盖层。
GaN的合成反应可简化表示为 在GaN薄膜生长过程中，中断NH3供应，将使GaN分解为游离金属镓。本发明采取在p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层生长完成后，将进入反应器的NH3切换至旁路5-30秒，p-Al0.15Ga0.85N层部分分解，在外延薄膜上形成细小均匀分布的游离金属滴，人为制造一种均匀分布的缺陷，以在p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层与p型氮化镓——p-GaN层之间形成电流释放通道。
由于GaN与蓝宝石以及GaN与InGaN(铟镓氮)的晶格常数不匹配，外延生长至p-GaN层时，会有相当的应力累计。本发明将p-GaN外延层生长分两步进行，首先在p-GaN外延层生长至20-80nm时，中断生长，并将温度降至500℃；然后再升温至950℃生长p-GaN覆盖层。通过对生长的外延薄膜进行一次降温、升温退火处理，可以消除部分累计应力，因此提高了p-GaN外延层的晶体质量，相应改善LED器件的发光、电学性能。
本发明采用有机金属源化学气相沉积法(MOCVD，Metalorganic ChemicalVapor Deposition)生长，衬底选用(0001)晶向的蓝宝石，金属有机源和氮源分别是三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)和6.5N级氨气(NH3)，p型掺杂剂为二茂镁(Cp2Mg)，n型掺杂剂为硅烷(SiH4)，其中SiH4浓度为200ppm，用H2稀释。
整个外延层生长完成后，将外延片送入退火炉，在N2气氛下于750℃退火20分钟。
外延片退火完成后，按常规芯片工艺制作成320×320μm2的小芯片和1×1mm2的大芯片。对芯片抗ESD能力的测试参照GJB 548A-1996《微电子器件试验方法和程序》，采用人体模型标准(HBM，Human Body Model)，对320×320μm2芯片和1×1mm2芯片分别通过反向2000、1000V ESD后，测试其在10V反向电压下的漏电流，320×320μm2芯片和1×1mm2芯片失效标准分别为0.5、2.0μA，统计达到反向漏电流(Ir)合格指标的良品率。
本发明的优点在于通过在p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层与p型氮化镓——p-GaN层之间形成细小均匀分布的游离金属滴，以在p-GaN层中形成电流释放通道，并通过降低外延薄膜的应力以提高晶体质量的生长方法，实现了在保证小芯片良好的抗ESD良品率的前提下有效提高大芯片抗ESD良品率的GaN基LED外延片的制备。按常规芯片工艺制作成320×320μm2芯片，其反向2000V ESD良品率为92.7％；1×1mm2的大芯片反向1000V ESD良品率为75.8％。
图 1外延片结构示意图；图 2GaN基LED芯片结构示意图，图中1为n型电极，2为透明接触层，3为p型电极；图3 320×320μm2芯片通过反向2000V ESD的反向漏电流(Ir)抽测结果，其良品率202/218＝92.7％；图4 1×1mm2芯片通过反向1000V ESD的反向漏电流(Ir)抽测结果，其良品率166/219＝75.8％。
具体实施例方式
采用MOCVD方法生长1)将(0001)晶向免清洗蓝宝石衬底装入反应器，在H2气氛下加热至1100℃烘烤10分钟。
2)降温至550℃生长厚度25nm的LT-GaN Buffer，生长压力为300Torr，TMGa流量为130微摩尔/分钟，NH3流量为150毫摩尔/分钟。
3)在1050℃生长厚度1.0μm的u-GaN层，生长压力为300Torr，TMGa流量为515微摩尔/分钟，NH3流量为480毫摩尔/分钟。
4)在1050℃生长厚度3.5μm的n-GaN层，生长压力为200Torr，TMGa流量为650微摩尔/分钟，NH3流量为900毫摩尔/分钟，n-GaN层的掺Si量为55纳摩尔/分钟。
5)在N2气氛下生长6个周期的MQW层，生长压力为200Torr，NH3流量为1000毫摩尔/分钟，InGaN阱层厚度为3.0nm，生长温度为750℃，TMGa流量为20微摩尔/分钟，TMIn流量为70微摩尔/分钟；GaN垒层厚度为12nm，生长温度为850℃，TMGa的流量是50微摩尔/分钟。
6)在950℃生长厚度50nm的p-Al0.15Ga0.85N层，生长压力为100Torr，TMGa流量为100微摩尔/分钟，TMAl流量为10微摩尔/分钟，NH3流量为616毫摩尔/分钟，Cp2Mg流量为2.5微摩尔/分钟，载气为H2∶N2＝7∶3的混合气氛。
7)将NH3切换至旁路10秒，p-Al0.15Ga0.85N层部分分解。
8)在950℃生长厚度50nm的p-GaN层，生长压力为150Torr，TMGa流量为258微摩尔/分钟，NH3流量为616毫摩尔/分钟，Cp2Mg流量为3.5微摩尔/分钟。
9)中断生长，NH3仍通入反应器，将温度降至500℃，然后再升温至950℃对外延薄膜进行退火处理。
10)在950℃生长厚度150nm的p-GaN层，生长压力为150Torr，TMGa流量为258微摩尔/分钟，NH3流量为616毫摩尔/分钟，Cp2Mg流量为3.5微摩尔/分钟。
11)在N2气氛下于750℃退火20分钟，N2流量为10升/分钟。
权利要求
1.一种提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长方法，该外延片结构包括低温氮化镓缓冲层——LT-GaN Buffer、非掺杂氮化镓——u-GaN层、n型氮化镓——n-GaN层、多量子阱——MQW层、p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层、p型氮化镓——p-GaN层，其特征在于在p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层与p型氮化镓——p-GaN层之间形成细小均匀分布的游离金属滴，形成电流释放通道；并通过降低外延薄膜的应力提高p-GaN外延层的晶体质量。
2.根据权利要求1所述提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长方法，其生长步骤特征为1)在1100℃下用H2高温烘烤蓝宝石衬底10分钟；2)降温至550℃生长25nm厚度的低温氮化镓缓冲层——LT-GaNBuffer；3)升温至1050℃生长厚度1.0μm的非掺杂氮化镓——u-GaN层；4)生长3.5μm的n型氮化镓——n-GaN层；5)降低生长温度至750-850℃，生长6个周期的InGaN/GaN的多量子阱——MQW层；6)升温至950℃，生长50nm厚度的p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层，然后短暂中断NH3供应，导致p-Al0.15Ga0.85N层部分分解；7)p型氮化镓——p-GaN层生长分两步进行，在两步生长过程中对外延薄膜作一次降温、升温退火处理。
3.根据权利要求1所述提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长方法，其特征在于在p型铝镓氮——p-Al0.15Ga0.85N层与p型氮化镓——p-GaN层之间形成细小均匀分布的游离金属滴，采用以下步骤50nm厚度的p-Al0.15Ga0.85N层生长结束后，将进入反应器的NH3切换至旁路5-30秒，p-Al0.15Ga0.85N层部分分解，在外延薄膜上形成细小均匀分布的游离金属滴。
4.根据权利要求1所述提高氮化镓基LED芯片抗静电能力的外延片生长方法，其特征在于通过降低外延薄膜的应力提高p-GaN外延层的晶体质量，采用以下步骤p-GaN外延层生长分两步进行，首先在p-GaN层生长至20-80nm时，中断生长，并将温度降至500℃，对外延薄膜退火处理；然后再升温至950℃，生长厚度为130-180nm的p-GaN覆盖层。
全文摘要
本发明是一种氮化镓基LED外延片的生长方法，在p－GaN层中形成电流释放通道，并对生长的外延薄膜进行一次降温、升温退火处理以消除部分累计应力，改善了p－GaN外延层的晶体质量，因此提高了GaN基LED芯片抗ESD能力。本发明的优点在于实现了在保证小芯片良好的抗ESD良品率的前提下有效提高大芯片抗ESD良品率的GaN基LED外延片的制备。按常规芯片工艺制作成320×320μm
文档编号H01L33/00GK101071836SQ20071005186
公开日2007年11月14日 申请日期2007年4月10日 优先权日2007年4月10日
发明者何清华, 田艳 申请人:何清华