专利名称：具有超高反向击穿电压的氮化镓发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及氮化镓(GaN)半导体发光器件的设计和制作。更具 体地，本发明涉及用于制作具有超高反向击穿电压的基于GaN的半 导体发光器件的方法。
背景技术：
在基于氮化镓的发光器件(LED)和激光器的开发中的最新成就 不仅将发光i普扩展到绿色、蓝色和紫外线区域，而且能够实现高的 发光效率。这是因为GaN材料具有在这些光语中允许光子发射的大 的直接带隙。由于它们的高能量效率、高亮度和长的寿命，基于GaN 的半导体LED已经广泛地使用于包括全色彩大型屏幕显示器、交通 灯、背光源和固态发光的应用中。
基于GaN的LED通常包括p-n结的结构。GaN-LED也可以包括 基于GaN的n型半导体层、多量子阱(MQW )有源区域和基于GaN 的p型半导体层。在发光过程中，以如下电压正向偏置p-n结或者 MQW区域，该电压造成电流通过有源层从p型层流到n型层。然而， LED有时可能由于许多原因、例如由于受到静电放电(ESD)或者 意外地连接到反向电压源而变得反向偏置。另外，当交流电压用来 驱动LED时，LED变得反向偏置。
当LED反向偏置时，在反向电压达到基于GaN的LED的反向寄 存电压的水平之前几乎没有电流(称为"反向电流")流过p-n结。当 偏置电压即使瞬间地超过击穿电压时，反向电流显著地增加，这可 能造成对LED的永久损坏。注意到归因于ESD的反向偏置可能特别 地有害，因为ESD电压可能比丄ED的典型反向击穿,电压大得多，而 ESD事件的发生常常是不可预测的。常规基于GaN的LED通常表
现出低反向击穿电压，因此易于遭受这些反向击穿的风险。
一般希望制作具有高反向击穿电压的基于GaN的LED.以增加 LED的可靠性。然而一直难以在实践中实现高的反向击穿电压。
发明内容
本发明的一个实施例提供一种基于氮化镓(GaN)的半导体发光 器件(LED),包括n型基于GaN的半导体层(n型层)；有源层； 以及p型基于GaN的半导体层(p型层)。在生长有源层与p型层 之前通过使用氨气(NH3)作为氮源来外延地生长n型层。在n型层 的外延生长过程中，V族元素与III族元素的流速比率或者V/III比 率从初始值逐渐地减少到最终值。
在对这一实施例的一种变形中，基于GaN的LED表现出等于或 者大于60伏特的反向击穿电压。
在对这 一 实施例的 一种变形中，初始v/in比率约在i ooo与i oooo 之间，而最终v/in比率约在150与500之间。
在又一变形中，初始V/III比率约在2000与5000之间。 在又一变形中，最终V/III比率约在200与300之间。 在对这一 实施例的 一种变形中，有源层充分地接近n型层中达到
最终v/in比率时所在的位置。
在对这一实施例的又一变形中，有源层处于在与n型层中达到最
终v/ni比率时所在的位置相距iooo埃之内。
在对这一实施例的一种变形中，V/III比率减少工艺在n型层外
延生长开始之后不久开始。
在对这一实施例的一种变形中，v/in .比率减少工艺基本上是线 性的，其具有基本上恒定的减少速率。
在对这一实施例的一种变形中，v/in比率从初始,v/ni比率减少 到最终v/ni比率的持续时间充分地长。
在对这一实施例的一种变形中，基于GaN的LED的反向击穿电 压等于或者大于IIO伏特。...
在只于这一实施例的一种变形中，基于GaN的LED的4妾通电压等 于或者少于3伏特。
在对这一实施例的一种变形中，有源层是InGaN/GaN多量于阱 (MQW)层。
图1图示了基于GaN的LED结构的横截面图。 图2呈现了流程图，该流程示了根据本发明的一个实施例在 改变NH3流速的同时生长n型GaN层工艺。
具体实施例方式
呈现以下描述以使本领域技术人员实现和运用本发明，并且在特 定应用及其要求的背景下提供该描述。对公开的实施例的各种修改 对于本领域技术人员将是明显的，并且这里定义的 一般原理可以适 用于其它实施例和应用而不脱离本发明的范围。因此，本发明不限 于所示实施例而将赋之以与权利要求书 一 致的最宽范围。
概述
本发明的实施例有助于制作具有超高反向击穿电压的基于GaN 的LED。具体而言，通过生长n型层，然后外延地生长有源层和p 型层来制作这样的基于GaN的LED的结构。在沉积n型层的洞时， 将氨气(NH3)用作氮源。取代了使用恒定的NH3流速，调节NH3 流速使得V族元素与III族元素之间的流速比率(称为V/III比率) 从初始值逐渐地减少到显著低于初始值的最终值。控制V/III比率减 少工艺使得变化速率递减而减少工艺的持续时间充分地长。在基于 GaN的LED的最终结构中，有源层充分地接近n-型层中到达最终 V/III比率时所在的位置。
基于GaN的LED结构
图1图示了根据本发明一个实施例的基于GaN的LED结构100 的横截面图。如图1中所示，在衬底102上制作基于GaN的LED结 构100。村底102可以包括但不限于蓝宝石(A1203 )衬底、碳化硅 (SiC)衬底、砷化镓(GaAs)衬底和/或硅(Si)衬底。
注意到基于GaN的LED结构100包括n型层106、有源层108 和p型层110。这三个层形成LED器件的基本结构。更具体地，在 一个实施例中，先在衬底102上外延地生长n型层106,然后生长有 源层108和p型层110。在本发明的一个实施例中，有源层108包括 InGaN/GaN MQW结构。MQW结构有助于较高的载流子密度并且因 此有助于增加载流子的重新组合速率，这能够提高发光效率。
可选地，可以在生长n型层106之前在衬底102上形成緩冲层 104。这对于晶格恒定和/或热膨胀系数匹配的目的而言是有利。虽然 图1中未示出，但是基于GaN的LED结构也可以包括分别电耦合到 n型层106和p型层IIO的n型电极和p型电极。注意到这些电极可 以通过使用任何电极制作技术以任何结构来制作。这样的技术包括 物理气相沉积和/或化学气相沉积。
用于外延地生长基于GaN的LED结构100的技术可以包括但不 限于金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延(MBE)、混 合气相外延(HVPE)和/或金属有机气相外延(MOVPE)。
注意到在衬底102上外延生长n型GaN层106需要Ga源和N源 两者。特别地，三曱基镓(TMGa)和氨(NH3)可以分别用作镓(III 族)源和N ( V族)源。在n型层的制作过程中，TMGa和NH3都 处于气相，而这些气体以预定的流速^C引入到沉积室中。
通常，在用于n型层的制作工艺过程中维持某一V/III比率。在 通常n型层的制作工艺中，V/III比率近似地保持于1000与10000 之间，优选为2000与5000之间。
通过改变NH,流速来实现超高反向击穿电压 '
本发明的实施例提供一种用于通过在n型层沉积过程中通过改
变NH3流速使得v/ni比率从常规值减少到小于常规值的最终值来实
现GaNLED的超高反向击穿电压的方法。图2呈现了流程图，该流 程示了根据本发明的一个实施例在改变NH3流速的同时生长n 型层的工艺。
该工艺从使用与初始V/III比率相对应的初始NH3流速来沉积n 型层(操作202)开始。在本发明的一个实施例中，初始流速可以是 通常用于n型层外延生长的正常流速，而初始V/III比率可以在1000 与10000之间。注意到TMGa的流速也#/^殳置成通常以jxmol/min为 单位来表示的正常值。在实践中，NH3流速与TMGa流速之比可以 近似为2000-5000。
在已经开始n型GaN沉积之后，该工艺然后逐渐地将NH3流速 从初始流速减少到造成最终V/III比率的最终流速(操作204)。在 一个实施例中，NH3流速的减少可以在外延生长已经开始之后不久 开始。在又一实施例中，NH3流速可以在已经以初始流速埤.行外延 生长预定时间段之后开始减少。注意到最终流速显著地小于初始流 速。在本发明的一个实施例中，最终V/III比率在初始V/III比率的
约io%与30%之间。例如，如果初始v/m比率是2200,则最终v/m
比率可以近似为250。由于源气体的实际流速取决于各种沉积条件，
比如沉积室尺寸和生长效率，所以实际流速可以变化。
注意到在一个实施例中通过减少NH3流速来实现的将.V/in比率
从初始值减少到最终值可以遵循可以通过不同函数来近似的不同形 式。这些函数可以包括但不限于具有恒定减少速率的线性减少或者 以可变的减少速率曲线为基础的非线性减少。另外，流速减少:工艺 可以基于 一 系列离散的小阶跃而不是平滑连续变化。在又 一 实施例
中，操作204可以包括上述减少技术的组合。例如，流速减少过程
可以从线性减少开始直至达到中间流速、然后遵循非线性函数继续 趋于最终速率。
由于NH3流速变化是逐渐的而整个流速变化是显著的，所以流速
从初始流速减少到最终流速的持续时段理想上是充分地长的。在本
发明的一个实施例中，这一工艺的持续时间等于或者大于n型层的 整个外延生长时间的50% 。
接着，该过程在已经达到最终流V/III比率时中断NH3流速的逐 渐减少(操作206)。注意到在n型层中达到最终流速时所在的位置 理想上充分地接近n型层与有源层之间的分界面。在本发明的一个 实施例中，有源层近似地处于与在n型层中达到最终流速时所在的 位置相距IOOO埃之内。在本发明的又一实施例中，有源层与n型层 之间的分界面就是在达到最终流速时所在之处。注意到可以在完成n 型层外延生长之前达到最终流速。在这一情况下，系统可以继续以 最终流速提供NH3直至n型层沉积工艺结束。
在本发明的一个实施例中，可以在n型层沉积工艺的整个过程中 保持TMGa流速恒定。在更多实施例中，可以改变TMGa流速以帮 助减少V/III比率。例如，可以在减少NH3流的同时增加TMGa流速。
在完成n型层的沉积时，在正常的外延生长条件之下执行有源层 和p型层的沉积。
所制造的基于GaN的LED器件的性盾
观察到使用这里教导的工艺来制造的基于GaN的LED表现出超 高的反向击穿电压。使用这一技术来荻得的典型反向击穿电压可以 等于或者大于60伏特。也已经获得等于或者大于IIO伏特的反向击 穿电压。与通常具有约20伏特反向击穿电压的常规LED相比^使 用所提供的技术来制造的GaN LED表现出显著改进的可靠性。
另外观察到使用本发明的技术来制造的基于GaN的LED的接通 电压可以等于或者少于与使用常规工艺来制造的GaNLED的接通电 压基本上相同的3伏特。
虽然在GaN LED的背景下描述了本发明，但是所提出的技术也 适用于制造基于GaN的半导体激光器以实现高反向击穿电压。
对本发明实施例的以上描述'是仅出于:解释和说明的目的而呈现 的。它们并不旨在于穷举本发明或者将本发明限制于公开的形式。
因而，许多々爹改和变化对于本领域」技术人员将是明显的。此外，以 上公开并不旨在于限制本发明。本发明的范围通过所附权利要求书
来限定。
权利要求
1. 一种基于氮化镓(GaN)的半导体发光器件(LED)，包括:n型基于GaN的半导体层(n型层)；有源层；以及p型基于GaN的半导体层(p型层)；其中在生长所述有源层与所述p型层之前通过使用氨气(NH3)作为氮源来外延地生长所述n型层；以及其中在所述n型层的外延生长过程中V族元素与III族元素的流速比率或者V/III比率从初始值逐渐地减少到最终值。
2. 根据权利要求1所述的基于GaN的半导体， 其中所述基于GaN的LED表现出等于或者大于60伏特的反向击穿电压。
3. 根据权利要求1所述的基于GaN的半导体， 其中所述初始V/III比率约在1000与10000之间；以及 其中所述最终V/ni比率约在150与500之间。
4. 根据权利要求3所述的基于GaN的半导体，其中所述初始v/nr比率:约在2000与5ooo之间。
5. 根据权利要求3所述的基于GaN的半导体， 其中所述最终V/III比率约在200与300之间。
6. 根据权利要求1所述的基于GaN的半导体，其中所述有源层充分地接近所述n型层中达到所述最终V/III比 率时所在的位置。
7. 根据权利要求6所述的基于GaN的半导体， 其中所述有源层处于在与所述n型层中达到所述最终V/III比率时所在的位置相距1000埃之内。
8. 根据权利要求1所迷:的基于GaN的半导体，， 其中所述v/m比率减少工艺在所述n型层外延生长开始之后不久开始。
9. 根据权利要求1所述的基于GaN的半导体，其中所述V/III比率减少工艺基本上是线性的，其具有基本上恒 定的减少速率。
10. 根据权利要求1所述的基于GaN的半导体，其中所述v/in比率从所述初始v/in比率减少到所述最终v/ni 比率的持续时间充分地长。
11. 根据权利要求1所述的基于GaN的半导体， 其中所述基于GaN的LED的所述反向击穿电压等于或者大于110伏特。
12. 根据权利要求1所述的基于GaN的半导体， 其中所述基于GaN的LED的所述接通电压等于或者少于3伏特。
13. 根据权利要求1所述的基于GaN的半导体， 其中所述有源层是InGaN/GaN多量子阱(MQW )层。
14. 一种用于制作基于氮化镓(GaN)的半导体发光器件(LED)的方法，包4#:在使用氨气(NH3)作为氮源的同时在生长衬底上外延地生长n 型基于GaN的半导体层(n型层)，其中在外延地生长所述n型层 的同时，将V族元素与III族元素的流速比率或者V/III比率从初始值逐渐地减少到最终值；以及在所述n型层上外延地生长有源层和p型基于GaN的半导体层(p型层)； .其中所述n型层、所述有源层和所述p型层形成所述基于GaN 的LED的结构。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述基于GaN的LED表现出等于或者大于60伏特的反向 击穿电压。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中所述初始V/III比率约在1000与10000之间；以及 其中所述最终V/III比率约在150与500之间。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述初始V/III比率约 在2000与5000之间。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中所述最终V/III比率约在200与300之间。
19. 根据权利要求14所述的方法，其中所述有源层充分地接近 所述n型层中达到所述最终v/in比率时所在的位置。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述有源层处于在与所 述n型层中达到所述最终V/III比率时所在的位置相距1000埃之内。
21. 根据权利要求14所述的方法，其中所述方法还包括在所述 n型层外延生长开始之后不久开始所述V/III比率减少工艺。
22. 根据权利要求14所述的方法，其中逐渐地减少所述V/III比率包括将所述v/in比率从所述初始v/in比率基本上线性地减少 到所述最终v/in比率。
23. 根据权利要求14所述的方法，其中将所述v'/ni比率丛所 述初始v/ni比率逐渐地减少到所述最终v/in比率的持续时间充分 地长。
24. 根据权利要求14所迷的方法，其中所述基于GaN.的LED 的所述反向击穿电压等于或者大于110伏特。
25. 根据权利要求14所述的方法，其中所述基于GaN的LED 的所述接通电压等于或者少于3伏特。
26. 根据权利要求14所述的方法，其中所述有源层是InGaN/GaN 多量子阱(MQW)层。
27. —种用于制作基于氮化镓(GaN )的半导体发光器件(LED ) 的系统，包括沉积机构，配置用以在使用氨气(NH3)作为氮源的同时在生长 衬底上外延地生长n型基于GaN的半导体层(n型层)，其中所述沉积才几构被配置用以将V族元素与III族元素的流速比 率或者V/III比率从初始值逐渐地减少到最终值；以及 其中所述沉积机构;波配置用以在所述n型层上外延地生长有源 层和p型基于GaN的半导体层(p型层)；其中所述n型层、所述有源层和所述p型层形成所述基于GaN 的LED的结构；以及其中所述基于GaN的LED表现出等于或者大于60伏特的反向 击穿电压。
全文摘要
本发明的一个实施例提供一种基于氮化镓(GaN)的半导体发光器件(LED)，包括n型基于GaN的半导体层(n型层)；有源层；以及p型基于GaN的半导体层(p型层)。在生长有源层与p型层之前通过使用氨气(NH<sub>3</sub>)作为氮源来外延地生长n型层。在V族元素和III族元素之间的流速比率从初始值逐渐地减少到最终值。基于GaN的LED表现出等于或者大于60伏特的反向击穿电压。
文档编号H01L33/00GK101378102SQ20071016802
公开日2009年3月4日 申请日期2007年11月2日 优先权日2007年8月31日
发明者方文卿, 江风益, 熊传兵, 立 王, 莫春兰, 勇 蒲 申请人:晶能光电(江西)有限公司