专利名称：具有较高静电击穿电压的GaN基LED的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种具有较高静电击穿电压的GaN基LED (发光二极管)，属于光 电子技术领域。
背景技术：
以GaN为代表的三族氮化物(AlN、GaN、InN、AlGaInN)由于具有优良的光电特性， 因而在蓝光、绿光、紫外发光二极管(LED)及高频、高温大功率电子器件中得到广泛应用。 由于缺乏晶格匹配的衬底，三族氮化物都是异质外延在其他材料上，常用的衬底有蓝宝石、 SiC(碳化硅)、Si (硅)、砷化镓、氧化锌等，常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积 (MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。而SiC(碳化硅)是宽带隙半导体材料，与Si相比，它在应用中具有诸多优势。由 于具有较宽的带隙，SiC器件的工作温度可高达600°C，SiC的热导率为4. 5ff/cmK, Si的热 导率为1. 5ff/cmK,蓝宝石的热导率为0. 5W/cmK。由上看出，SiC和Si的热导率相对于蓝宝 石优秀，尤其在大功率器件上，SiC和Si有更加广阔的前景。SiC器件的高温工作能力降低 了对系统热预算的要求。此外，SiC器件还具有较高的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂 移速率、高热稳定性和化学惰性，其击穿电场强度比同类Si器件要高。综合比较看，与蓝宝 石衬底相比，SiC与Si衬底生长的LED材料，导热性能优秀。目前生产的GaN基发光二极管中蓝色、绿色、蓝绿色二极管，都采用蓝宝石衬底， 使用MOCVD技术生产的芯片。此种芯片的特点是亮度好、技术相对成熟，专利纠纷或冲突 相对较少。所以，世界上多数芯片厂家(包括中国台湾、韩国、日本大多数厂商)采用此种 技术生产蓝、绿光芯片(只有美国CREE除外，采用SiC衬底)。此种芯片的缺点是抗静电能 力较差，若受静电冲击，会导致Vf (正向压降)升高，亮度降低以致死灯现象，所以如何防止 静电，是蓝、绿发光二极管生产及使用中最主要的问题。以PN结结构为主的LED，在制造、筛选、测试、包装、储运及安装使用等环节，难免 不受静电感应影响而产生感应电荷。若得不到及时释放，LED的两个电极上形成的较高电 压将直接加上LED芯片的PN结两端。当电压超过LED的最大承受值后，静电电荷将以极短 的瞬间(纳秒级别)在LED芯片的两个电极之间进行放电，功率焦耳的热量将使得LED芯 片内部的导电层、PN发光层的局部形成高温，高温将会把这些层熔融成小孔，从而造成漏电 以及短路的现象。静电击伤的表现芯片受到静电击伤，在其表面会形成黑色斑点，此黑色斑点将不 会再发光，所以，芯片受到击伤的程度不同，其表现也不同。轻微的击伤，也许表面上看不出 来，但亮度会少量降低，亮度会衰减，IR值(反向电流)升高；中度击伤的芯片，其管压降会 明显升高(可能会升高至4. OV 5. 5V以上)，亮度明显降低(原正常亮度的50%以下)， IR升高，严重影响寿命，在使用过程中会逐渐失去功能，最后也可能造成死灯。所以，目前的 蓝，绿发光二极管在生产及使用的过程中，一定要做好防静电措施，并定期检查接地电阻， 这样，才可以大幅度避免死灯现象。[0007]LED芯片的GaN材料为宽禁带材料，电阻率较高，并且使用蓝宝石作为衬底，该衬 底材料不导电，该类芯片在生产过程中因静电产生的感生电荷不易消失，累积到相当的程 度，可以产生很高的静电电压。当超过材料的承受能力时，会发生击穿现象并放电。蓝宝 石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面，间距很小；对于InGaN/GaN多量子阱结构， InGaN有源层仅几十纳米，对静电的承受能力很小，极易被静电击穿，使器件失效。GaN基 LED和传统的LED相比，抗静电能力差是其鲜明的缺点，静电导致的失效问题已成为影响产 品合格率和使用推广的一个非常棘手的问题。蓝，绿发光管目前抗静电能力水平抗静电能力只有50V左右，反向静电500V以上 将会立即导致死掉。正向静电在1500V以上也会立即导致严重损伤，而在北方冬天，人体的 静电大约在1000V-1500V左右，所以，人体直接接触二极管是导致二极管损伤的主要原因。 在任何生产，使用二极管的过程中，均要严格禁止人体在无防静电措施直接接触二极管。在目前的防护措施中，二极管生产均采用正品二极管芯片，在严格的生产条件下 (无尘，所有工序防静电)生产二极管，生产标准(IR漏电标准)严格控制在5V，10 μ A的标 准，行业标准5V，50 μ Α”在生产、检测、包装的全过程中，全部实现自动化，完全避免了人为 因数影响，确保产品品质。但是这些都只能从外观和防护方面做文章，不能解决实质性的问 题。现有蓝宝石衬底GaN基发光二极管的结构如图1所示，自下至上包括蓝宝石衬 底5、AlN缓冲层4、N型GaN层3、MQW(多量子阱)层2和P型GaN层1。中国专利文献 CN101359710A公开了《一种绿光发光二极管的制造方法》，该方法是通过在生长InGaN和 GaN的MQW (量子阱)中加入InAlGaN的插入层，减小InGaN和GaN之间的V性缺陷，减少In 组分的析出，获得高亮度的、抗静电能力强的绿色LED。此技术的优点是通过插入层的增加， 亮度从IOOmcd增加到250mcd，静电击穿电压从500V增加到4000V。但是此工艺使用的衬 底为蓝宝石。要在MQW层中插入InAlGaN、AlGaN、InGaN或InAlN层，该层厚度为0. l_5nm， MQW层本身较薄，生长工艺上同时控制Al和In生长，要在生长时引入操作非常困难，很有可 能破坏MQW，导致不发光。
发明内容本实用新型针对现有蓝宝石衬底GaN发光二极管的静电击穿电压提高技术存在 的不足，提供一种制备工艺简单、易于实现的具有较高静电击穿电压的GaN基LED。本实用新型的具有较高静电击穿电压的GaN基LED，其结构自下至上依次包括SiC 或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQff (多量子阱)层和P型GaN层，N型GaN层中设有 一层厚度为20nm-100nm的AlGaN插入层。上述以SiC或者Si作为衬底生长GaN基LED的结构是在N型GaN层中插入一层 AlGaN来提高静电击穿电压。在异质结界面处由于极化效应导致界面处有正的束缚电荷，这 一 AlGaN层束缚电荷会诱导形成一个二维电子气。该二维电子气横向导电能力强，利于电 流扩展；当脉冲电流加在LED时，通过二维电子气把电流均勻扩展，避免局部电流过高，减 小反向脉冲对LED的破坏。本实用新型是通过改变衬底材料和LED的生长结构，在SiC、Si衬底上直接在生长 N型GaN层时插入一层AlGaN，从根本上增强发光二极管芯片的抗击穿电压，由于NGaN层本
4身较厚，插入AlGaN层时只需要引入TMAl (三甲基铝)，生长非常容易实现，反向抗静电能 力由普通结构的500V-1000V提高到了 2000V-4000V。反向击穿电压由原来的15V提高到 30V。亮度由50-80mcd提高到了 80_100mcd，168小时老化衰减也由原来的20% -30%提高 到了 5% -10%。
图1是现有蓝宝石衬底GaN基发光二极管的结构示意图。图2是本实用新型具有较高静电击穿电压的GaN基LED的结构示意图。图中1、P型GaN层，2、MQW(多量子阱)层，3、N型GaN层，4、AlN缓冲层，5、蓝宝 石衬底，6、AlGaN插入层，7、SiC或Si衬底。
具体实施方式
如图2所示，本实用新型的具有较高静电击穿电压的GaN基LED，其结构自下至 上依次包括SiC或Si衬底7、AlN缓冲层4、N型GaN层3、AlGaN插入层6、N型GaN层3， MQff(多量子阱)层2和P型GaN层1。其制备方法是采用MOCVD (金属有机物化学气相沉 淀)方法生长，在生长N型GaN层时插入一层AlGaN，其余过程与现有常规制备技术一样，具 体包括以下步骤(1)在1000°C -IlOO0C^NH3流量为IL/分钟-3L/分钟的条件下在SiC或Si衬底 7上进行AlN缓冲层4的生长，生长厚度为20nm-100nm得到平整的表面。该步骤与现有按
常规方法一样。(2)在950°C-1100°C生长Ium厚的N型GaN层3，该步骤与现有按常规方法一样。(3)待生长GaN到Ium厚时，引入TMAl (三甲基铝)，原来的源引入不变，然后温度 由 950°C -1100°C 降低到 900°C -1050°C下生长 AlGaN 插入层 6，厚度为 20nm_100nm。(4)在950°C -1100°C生长0. lum-0. 5um厚的N型GaN层3。该步骤与现有按常规
方法一样。(5)在600°C -900°C生长80nm_200nm厚的MQW层2。该步骤与现有按常规方法一样。(6)在700°C -1000°C生长150nm_300nm厚的P型GaN层1。该步骤与现有按常规
方法一样。通过此方法生长的LED，反向抗静电能力由普通结构的500V-1000V提高到了 2000V-4000V，反向击穿电压由原来的15V提高到30V。并且亮度也提高了三分之一。因为 使用SiC或Si作为衬底，散热能力强，导电能力好，管芯工艺简单，更加重要的是解决了老 化问题，使得发光二极管具有了更长的寿命。
权利要求一种具有较高静电击穿电压的GaN基LED，其结构自下至上依次包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW层和P型GaN层，其特征是N型GaN层中设有一层厚度为20nm 100nm的AlGaN插入层。
专利摘要本实用新型提供了一种具有较高静电击穿电压的GaN基LED，其结构自下至上依次包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW层和P型GaN层，N型GaN层中设有一层厚度为20nm-100nm的AlGaN插入层。本实用新型是通过改变衬底材料和LED的生长结构，在SiC、Si衬底上直接在生长N型GaN层时插入一层AlGaN，从根本上增强发光二极管芯片的抗击穿电压，由于NGaN层本身较厚，插入AlGaN层时只需要引入TMA1，生长非常容易实现，反向抗静电能力由普通结构的500V-1000V提高到了2000V-4000V，反向击穿电压由原来的15V提高到30V，亮度由50-80mcd提高到了80-100mcd。
文档编号H01L33/14GK201749864SQ201020167238
公开日2011年2月16日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者吴德华, 徐现刚, 曲爽, 朱学亮, 李树强 申请人:山东华光光电子有限公司