P型led外延结构、生长方法及led显示装置制造方法
【专利摘要】本申请公开了P型LED外延结构、生长方法及LED显示装置，P型LED外延结构，所述结构自下而上包含蓝宝石衬底、低温氮化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、n型氮化镓层、第一势垒层、浅量子阱层、多量子阱层、电子阻挡层、高掺杂P型氮化镓层以及接触层，高掺杂P型氮化镓接触层进一步包含第一P型氮化镓层和第二P型氮化镓层，且所述第一P型氮化镓层和所述第二P型氮化镓层分别采用不同的载气来生长。本发明可获得不同结晶质量的P-GaN，其增强了电子限制能力，增强空穴注入，减缓电子注入，同时抑制极化效应，扩展电流，缓解静电对GaN基LED的冲击，从而提高了外延片的抗静电能力。
【专利说明】P型LED外延结构、生长方法及LED显示装置
【技术领域】
[0001] 本申请涉及半导体技术中氮化镓系材料制备【技术领域】领域，具体地说，是涉及一 种P型LED外延结构、生长方法及LED显示装置。
【背景技术】
[0002] 在现有技术中，所谓异质外延，即衬底材料和外延层是不同种材料。所谓氮化镓 (GaN)，这是一种具有较大禁带宽度的半导体，属于所谓宽禁带半导体之列。它是微波功率 晶体管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。
[0003] 以蓝宝石为衬底的异质外延生长氮化镓，由于晶格失配度较大和热膨胀系数差异 较大，会导致生长的GaN内部有高密度的缺陷产生，在P型和N型同侧电极的LED芯片中会 造成电流分布不均，从而抗静电能力较差。
[0004] 申请号为：201010228152. 9的专利"一种GaN基LED外延片及其生长方法"中提到 通过引入η型缺陷阻断层，阻断因异质外延或η型掺杂产生的缺陷，提高晶体的生长质量， 进而扩展电流，缓冲静电对GaN基LED的冲击而提高其抗静电能力。
[0005] 申请号为：200910188007. X的专利"一种GaN基发光二极管外延片及其生长方法" 中提到采用高低温生长P-GaN，通过过渡一层低温P-GaN，不致由于温度过高，造成临近周 期的InGaN的破坏，使其In组分不容易析出，从而提高抗静电能力。
[0006] 但上述两专利公开文本所述的内容，针对现有技术制备的GaN基LED外延片抗静 电能力较弱，无法满足现有GaN基LED外延生长的需求。
【发明内容】
[0007] 为解决现有技术中GaN基LED外延片抗静电能力弱的技术问题，特提供以下技术 方案：
[0008] 本申请提供了一种P型LED外延结构，所述结构自下而上包含蓝宝石衬底、低温氮 化镓缓冲层、非掺杂氮化镓层、η型氮化镓层、第一势垒层、浅量子阱层、多量子阱层、电子阻 挡层、高掺杂Ρ型氮化镓层以及接触层，其特征在于 ：
[0009] 所述高掺杂Ρ型氮化镓接触层进一步包含第一 Ρ型氮化镓层和第二Ρ型氮化镓 层，且所述第一 Ρ型氮化镓层和所述第二Ρ型氮化镓层分别采用不同的载气来生长。
[0010] 进一步地，其中，所述第一 ρ型氮化镓层采用氮气作为载气来生长，而所述第二ρ 型氮化镓层采用氮气与氢气的混合气体作为载气来生长。
[0011] 进一步地，其中，所述第一 Ρ型氮化镓层是在820-920°C的温度条件下生长的，而 所述第二P型氮化镓层是在850-950°C温度条件下生长的。
[0012] 进一步地，其中，所述第一 P型氮化镓层和所述第二P型氮化镓层是在相同温度条 件以及相同压力条件下生长的。
[0013] 进一步地，其中，所述第一 P型氮化镓层和所述第二P型氮化镓层是在不同温度条 件及/或不同的压力条件下生长的。
[0014] 本申请还提供了一种LED显示装置，其特征在于，所述LED显示装置包含应用了权 利要求1-5中任一项所述的P型LED外延结构的外延片。
[0015] 本申请还提供了一种P型LED外延结构生长方法，依次包含处理蓝宝石衬底、生长 低温氮化镓缓冲层、生长非掺杂氮化镓层、生长η型氮化镓层、生长第一势垒层、生长浅量 子阱层、生长多量子阱层、生长电子阻挡层、生长高掺杂Ρ型氮化镓层以及生长接触层，其 特征在于：所述生长高掺杂Ρ型氮化镓层的步骤进一步包含：
[0016] 生长第一 Ρ型氮化镓层；以及
[0017] 生长第二Ρ型氮化镓层，
[0018] 其中所述第一 Ρ型氮化镓层和所述第二Ρ型氮化镓层分别采用不同的载气来生 长。
[0019] 进一步地，其中，所述第一 Ρ型氮化镓层采用氮气作为载气来生长，而所述第二Ρ 型氮化镓层采用氮气与氢气的混合气体作为载气来生长。
[0020] 进一步地，其中，所述第一 Ρ型氮化镓层是在820-920°C的温度条件下生长的，而 所述第二P型氮化镓层是在850-950°C温度条件下生长的。
[0021] 进一步地，其中，所述第一 P型氮化镓层和所述第二P型氮化镓层是在相同温度条 件以及相同压力条件下生长的。
[0022] 与现有技术相比，本申请所述的P型LED外延结构、生长方法及LED显示装置，达 到了如下效果：
[0023] 上述技术方案可获得不同结晶质量的P-GaN，其增强了电子限制能力，增强空穴注 入，减缓电子注入，同时抑制极化效应，扩展电流，缓解静电对GaN基LED的冲击，从而提高 了外延片的抗静电能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申 请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0025] 图1为现有技术中P型LED外延结构的示意图。
[0026] 图2为依据本申请实施例的P型LED外延结构的示意图。
【具体实施方式】
[0027] 如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员 应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以 名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在 通篇说明书及权利要求当中所提及的"包含"为一开放式用语，故应解释成"包含但不限定 于"。"大致"是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所 述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，"耦接"一词在此包含任何直接及间接的电性 耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电 性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说 明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目 的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
[0028] 以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。
[0029] 图1是现有技术中P型LED外延结构的示意图。如图1所示，现有技术中的P型 LED外延结构由下向上通常分为以下部分：蓝宝石衬底、GaN缓冲层、非掺杂GaN层、η型GaN 层、第一势垒层、浅量子阱层、多量子阱层、电子阻挡层、P型GaN层以及接触层（CTL层），图 1中分别以标号1-丛来表示。其中，上述结构中的每一层分别在一特定的环境条件下形成。 例如，整个P型GaN层都是在相同的环境下生长的。
[0030] 为了改善现有技术制备的GaN基LED外延片抗静电能力较弱的状况，本发明的实 施例提供一种新的P型GaN基LED外延结构及其生长方法，通过以不同的载气对原本的单 一层进行生长控制来产生具有不同结构的外延片，以提升其抗静电能力。
[0031] 图2是依据本申请实施例的P型LED外延结构的示意图。如图2所示，P型GaN基 外延结构由下至上依次为蓝宝石衬底，低温GaN缓冲层、非掺杂GaN层、η型GaN层、第一势 垒层、浅量子阱层、多量子阱层、电子阻挡层、高掺杂P型GaN层和接触层（CTL)。其中所述 的高掺杂P型GaN接触层分为第一 P型GaN层和第二P型GaN层，第一 P型GaN层采用氮 气作为载气，第二P型GaN层则采用氮气、氢气混合气体作为载气。从而，依据本申请实施 例的P型GaN基外延结构总共分成11个部分（包含第一 P型GaN层和第二P型GaN层）， 分别以标号1-11来表不。
[0032] 为了产生上述P型GaN基外延结构，本申请的实施例可以按照以下具体实施步骤 进行：
[0033] 1)将衬底1在氢气气氛里进行高温退火，清洁所述衬底1表面，温度控制在 1000-1250°C之间，然后进行氮化处理，衬底是适合GaN及其半导体外延材料生长的材料， 如蓝宝石，SiC，单晶Si等，若采用蓝宝石作为衬底，则可以在1000-1250°C于H2气氛中高 温净化蓝宝石衬底5-12分钟；
[0034] 2)降温至520-620°C，控制生长压力在450-650mbar，生长20-35nm厚度的低温 GaN缓冲层2 ;
[0035] 3)升温至1100-1270°C，生长压力在300-700mbar，生长1·0-2·8μπι厚度的非掺杂 GaN 层 3 ;
[0036] 4)温度控制在1100-1270°C，生长压力调节至100_300mbar，生长1. 0-2. 0 μ m厚度 的η型GaN层4 ;
[0037] 5)然后降温至680-780°C，生长压力控制在150-650mbar，生长45-75nm厚度的第 一势鱼层5 ;
[0038] 6)紧接着生长浅量子阱层6,温度在700-750°C之间，压力在150-650mbar之间，所 述浅量子阱层由2-6个循环InGaN/GaN，浅量子阱厚度3-6nm ;
[0039] 7)然后生长8-20个循环发光多量子肼层7，生长温度在700-800°C之间，压力控制 在150-600mbar，所述发光多量子阱的厚度为0. 7-2. 5nm，垒层厚度在1. 5-3. 5nm ;
[0040] 8)接着控制温度在720-780°C之间，生长一层电子阻挡层8,压力在100-350mbar， 所述电子阻挡层为In、A1组分掺杂的P型AlInGaN层，厚度为3-15nm ;
[0041] 9)所述电子阻挡层生长结束后，以氮气（N2)作为载气生长第一 P型GaN层9,生 长温度在 820-920°C，压力在 400-700mbar，厚度 25-65nm ;
[0042] 10)接着以氮气和氢气的混合气体（N2+H2)作为载气生长第二P型GaN层10,生 长压力与第一 P型GaN层相同，生长温度控制在850-950°C之间，生长厚度45-100nm ;
[0043] 11)所述第一、第二P型GaN层生长结束后，温度降至550-700°C，生长压力 200-500mbar，生长CTL层11，所述CTL层为In组分掺杂的P型InGaN层，厚度在1. 5-5nm ;
[0044] 12)最后，将反应室温度降至500-650°C，采用纯N2气氛进行退火处理5-20min，再 降至室温。
[0045] 在上述实施例中，虽然各自的载气不同，但第一 P型GaN层和第二P型GaN层是在 相同的压力条件下生长，然而这并不是本申请的限制。在另一实施例中，第一 P型GaN层和 第二P型GaN层可在相同的压力条件和相同的温度条件下生长；在又一实施例中，第一 P型 GaN层和第二P型GaN层可在不同压力条件和相同的温度条件下生长。本领域的技术人员 应该了解，在具体的生长过程中，可根据具体的要求来调节上述压力及/或温度条件条件， 以通过不同的载气使第一 P型GaN层和第二P型GaN层在相同/不同的压力及/或温度条 件下生长。
[0046] 此外，本申请在生长第一 P型GaN层和第二P型GaN层使也不仅限于使用上述实 施例中的载气（即N2或者N2与H2的混合气体），只要能够产生类似的效果，提高抗静电能 力，也可以在制备过程中采用其他载气。在本申请所述的基本思想下，本领域的技术人员可 以根据实际需要对载气做出调整，以达到提高抗静电能力的目的，其也应该包含在本申请 的范围内。
[0047] 与现有GaN基LED外延生长方法相比，本申请提供的P型GaN的生长方法与现有 P型GaN的生长方法的差异在于：现有的P型GaN采用高低温分段生长或者是P型A1 InGaN 生长完后直接接一层高掺杂Mg的P型GaN，而本申请采用不同载气分别生长P型GaN，其可 以在相同的温度以及压力条件下操作，且由于载气，特别是N2+H2组分摩尔比的调整，能有 效改变P-GaN生长质量，可以获得不同粗糙度的P-GaN表面，能有效改变极化效应强弱，同 时增强空穴注入，降低电子注入，有效扩展电流，提高抗静电能力。
[0048] 外延片按照标准芯片工艺制作成17milX34mil的以ΙΤ0为透明电极的芯片，其 ESD > 2000V能力由72 %提高到95 %，ESD > 4000V (人体模式）能力由66 %提高到90 %。
[0049] 与现有技术相比，本申请所述的一种新P型的LED外延结构及其生长方法，达到了 如下效果：
[0050] 通过调整P层生长载气气氛组分生长P-GaN，能够获得不同结晶质量的P-GaN，增 强其电子限制能力，增强空穴注入，减缓电子注入，同时抑制极化效应，扩展电流，缓解静电 对GaN基LED的冲击，从而提高了外延片的抗静电能力。
[0051] 上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请 并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、 修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识 进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申 请所附权利要求的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种P型LED外延结构，所述结构自下而上包含蓝宝石衬底、低温氮化镓缓冲层、非 掺杂氮化镓层、η型氮化镓层、第一势垒层、浅量子阱层、多量子阱层、电子阻挡层、高掺杂P 型氮化镓层以及接触层，其特征在于： 所述高掺杂Ρ型氮化镓接触层进一步包含第一 Ρ型氮化镓层和第二Ρ型氮化镓层，且 所述第一 Ρ型氮化镓层和所述第二Ρ型氮化镓层分别采用不同的载气来生长。
2. 如权利要求1所述的Ρ型LED外延结构，其特征在于，所述第一 Ρ型氮化镓层采用 氮气作为载气来生长，而所述第二P型氮化镓层采用氮气与氢气的混合气体作为载气来生 长。
3. 如权利要求2所述的P型LED外延结构，其特征在于，所述第一 P型氮化镓层是在 820-920°C的温度条件下生长的，而所述第二P型氮化镓层是在850-950°C温度条件下生长 的。
4. 如权利要求1所述的P型LED外延结构，其特征在于，所述第一 P型氮化镓层和所述 第二P型氮化镓层是在相同温度条件以及相同压力条件下生长的。
5. 如权利要求1所述的P型LED外延结构，其特征在于，所述第一 P型氮化镓层和所述 第二P型氮化镓层是在不同温度条件及/或不同的压力条件下生长的。
6. -种LED显示装置，其特征在于，所述LED显示装置包含应用了权利要求1-5中任一 项所述的P型LED外延结构的外延片。
7. -种P型LED外延结构生长方法，依次包含处理蓝宝石衬底、生长低温氮化镓缓冲 层、生长非掺杂氮化镓层、生长η型氮化镓层、生长第一势垒层、生长浅量子阱层、生长多量 子阱层、生长电子阻挡层、生长高掺杂Ρ型氮化镓层以及生长接触层，其特征在于：所述生 长高掺杂Ρ型氮化镓层的步骤进一步包含： 生长第一Ρ型氮化镓层；以及 生长第二Ρ型氮化镓层， 其中所述第一 Ρ型氮化镓层和所述第二Ρ型氮化镓层分别采用不同的载气来生长。
8. 如权利要求7所述的Ρ型LED外延结构生长方法，其特征在于，所述第一 Ρ型氮化镓 层采用氮气作为载气来生长，而所述第二P型氮化镓层采用氮气与氢气的混合气体作为载 气来生长。
9. 如权利要求8所述的P型LED外延结构生长方法，其特征在于，所述第一 P型氮化镓 层是在820-920°C的温度条件下生长的，而所述第二P型氮化镓层是在850-950°C温度条件 下生长的。
10. 如权利要求7所述的P型LED外延结构生长方法，其特征在于，所述第一 P型氮化 镓层和所述第二P型氮化镓层是在相同温度条件以及相同压力条件下生长的。
【文档编号】H01L33/14GK104103721SQ201410379216
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】向锦涛, 胡艳芳 申请人:湘能华磊光电股份有限公司