專利名稱：一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管(LED)結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，更具體而言涉及一種通過控制LED的量子阱層-壘層結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)來抑制反向漏電的方法。
背景技術(shù)：
在本申請(qǐng)人于2003年4月16日提出的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)“復(fù)合量子阱結(jié)構(gòu)高亮度GaN基藍(lán)光LED外延片生長(zhǎng)方法”(申請(qǐng)?zhí)?3118956.3)中，提出了一種復(fù)合量子阱結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管(LED)外延片生長(zhǎng)方法，其中公開了一種采用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)技術(shù)來外延生長(zhǎng)出的氮化鎵(GaN)基LED半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括襯底層上的緩沖層、不摻雜的uGaN層、n型GaN:Si層、復(fù)合量子阱層-壘層、以及p型GaN:Mg層。通過這種LED半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在一定的激發(fā)電流(例如20mA)下，可以激發(fā)出波長(zhǎng)為455-475nm的藍(lán)光。
由于這種LED半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的復(fù)合量子阱層-壘層非常薄(5-50納米左右)，而且對(duì)MOCVD生長(zhǎng)環(huán)境的波動(dòng)非常敏感，因此在實(shí)際的生長(zhǎng)過程中，很難出現(xiàn)上述理想的LED半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，例如量子阱層和壘層的界面不清晰，摻雜的Si、Mg、Zn等元素會(huì)貫穿量子阱層和壘層，眾所周知，Si、Mg、Zn等元素的摻入顯然會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)LED反向漏電等問題；另外，晶體生長(zhǎng)時(shí)不可避免地會(huì)存在缺陷，例如位錯(cuò)特別是螺位錯(cuò)的出現(xiàn)，如果摻雜Si、Mg、Zn等不理想的話，Si、Mg、Zn等會(huì)在例如螺位錯(cuò)貫穿LED結(jié)構(gòu)時(shí)隨同位錯(cuò)一起貫穿半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致局部“導(dǎo)通”，給LED結(jié)構(gòu)的光電特性帶來很大的副面影響。其中的一個(gè)主要副面影響就是LED的反向漏電，在正常的產(chǎn)品中，如果LED結(jié)構(gòu)在5V電壓、20mA電流下工作，理想情況下漏電應(yīng)該為零，但實(shí)際情況并非如此，一般情況下都會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)的反向漏電。
反向漏電是影響LED使用壽命的一項(xiàng)重要指標(biāo)。如果出現(xiàn)了較大的漏電電流，不僅會(huì)限制LED的光電特性和使用條件，而且還會(huì)顯著地降低LED的抗光衰減性能和使用壽命。根據(jù)生產(chǎn)和應(yīng)用的要求，在上述工況下，一般反向漏電電流最好不超過1μA，最大反向漏電電流不能超過10μA。但在現(xiàn)有技術(shù)的LED結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)反向漏電在5V電壓、20mA電流下工作時(shí)反向漏電超過1μA甚至10μA的情況，大大降低了LED結(jié)構(gòu)的可靠性和生產(chǎn)的良品率。
反向漏電出現(xiàn)的原因是多方面的，除了LED芯片的制造工藝和LED封裝工藝的影響因素之外，MOCVD外延生長(zhǎng)的LED晶體層的結(jié)構(gòu)特性是最大的“先天性”影響因素，這種因素造成的負(fù)面影響在后續(xù)工藝中是不可彌補(bǔ)的。因此，迫切需要一種通過控制LED層結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)來控制發(fā)光二極管的反向漏電的方法，以實(shí)現(xiàn)較好的LED光電特性，特別是反向漏電性能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)以上所述，本發(fā)明提出了一種新型LED結(jié)構(gòu)以及控制LED反向漏電的LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，它能夠顯著地降低LED工作時(shí)的反向漏電，同時(shí)又不會(huì)導(dǎo)致LED的其他性能下降。
根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，提出了一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，包括襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、復(fù)合量子阱層-壘層、p型GaN:Mg層，其中通過加入uGaN隔層而使阱層與壘層被隔開。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，包括襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、uGaN隔層-量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，包括襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層-uGaN隔層、p型GaN:Mg層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，包括襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種生長(zhǎng)根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的方法，包括依次生長(zhǎng)襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、uGaN隔層-量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種生長(zhǎng)根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的方法，包括依次生長(zhǎng)襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層-uGaN隔層、p型GaN:Mg層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種生長(zhǎng)根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的方法，包括依次生長(zhǎng)襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
按照本發(fā)明，通過這樣來適當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)uGaN隔層，可以顯著地降低LED芯片的反向漏電電流Ir，并提高LED芯片的良率，同時(shí)保證芯片的其它性能不會(huì)下降。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例來更詳細(xì)地介紹本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的方法旨在通過改善量子阱層-壘層結(jié)構(gòu)，在阱層與壘層之間插入一層沒有任何摻雜元素(例如硅、鎂、鋅等)的uGaN隔層，防止Si、Mg、Zn等元素穿透界面而產(chǎn)生局部導(dǎo)通，從而達(dá)到抑制或防止反向漏電的目的。
首先介紹傳統(tǒng)的GaN基LED結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方法，該方法見比較示例1的詳細(xì)介紹。
比較示例1傳統(tǒng)生長(zhǎng)的外延LED結(jié)構(gòu)為襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、復(fù)合量子阱層-壘層、p型GaN:Mg層。
這種外延LED結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)生長(zhǎng)方法采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)方法在藍(lán)寶石、碳化硅或其它合適襯底上外延生長(zhǎng)出LED結(jié)構(gòu)，具體實(shí)施方式
如下利用英國(guó)Thomas Swan公司生產(chǎn)的TS-19型CCS-MOCVD機(jī)器，在襯底上外延生長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu)，采用的襯底是日本京瓷公司生產(chǎn)的直徑50mm的藍(lán)寶石襯底，反應(yīng)用原物料為三甲基鎵、三甲基鋁、三甲基鎂、三甲基銦(江蘇南大光電公司提供)；高純氫氣、氮?dú)狻⒏呒儼焙凸柰?深圳中宏氣體公司提供)當(dāng)然，這些原材料也可從市場(chǎng)上的其它廠家買到。
工藝路線如下1)緩沖層生長(zhǎng)反應(yīng)溫度500-800℃，反應(yīng)腔壓力76-250Torr，載氣流量為10-30升/分鐘，三甲基鎵流量為20-120微摩爾/分鐘，氨氣流量為20-80摩爾/分鐘。時(shí)間為0.1-20分鐘。
2)uGaN層生長(zhǎng)反應(yīng)溫度950-1150℃，反應(yīng)腔壓力76-250Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，三甲基鎵流量為80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘。時(shí)間為20-60分鐘。
3)GaN:Si層生長(zhǎng)反應(yīng)溫度950-1150℃，反應(yīng)腔壓力76-250Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，三甲基鎵流量為80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，硅烷流量為0.2-2.0納摩爾/分鐘。時(shí)間為10-30分鐘。
4)復(fù)合量子阱層-壘層生長(zhǎng)
阱層反應(yīng)溫度700-900℃，反應(yīng)腔壓力100-500Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，三甲基鎵流量為0.1-1.0微摩爾/分鐘，三甲基銦流量為10-50微摩爾/分鐘。時(shí)間為0.1-5分鐘。
壘層反應(yīng)溫度700-900℃，反應(yīng)腔壓力100-500Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，三甲基鎵流量為10-50微摩爾/分鐘，三甲基銦流量為5-30微摩爾/分鐘。時(shí)間為0.1-5分鐘。
5)p型GaN:Mg層生長(zhǎng)反應(yīng)溫度950-1100℃，反應(yīng)腔壓力76-250Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，三甲基鎵流量為80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，三甲基鎂流量為0.5-5.0微摩爾/分鐘。時(shí)間為10-50分鐘。
本發(fā)明主要是通過構(gòu)思出一種在復(fù)合量子阱層-壘層之間生長(zhǎng)不摻雜的uGaN隔層的LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法，來達(dá)到改善反向漏電的目的。根據(jù)本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)方法通過以下實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)。
實(shí)施例1本發(fā)明的實(shí)施例1與比較示例1的LED層結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于，在比較示例1的LED層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在量子阱層-壘層中的量子阱層兩側(cè)分別生長(zhǎng)一層不摻雜的uGaN隔層。所生長(zhǎng)的外延LED結(jié)構(gòu)為襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、uGaN隔層-量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
因此，實(shí)施例1的生長(zhǎng)方法為，按順序依次生長(zhǎng)緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、uGaN隔層-量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。除了生長(zhǎng)uGaN隔層的工藝之外，其它生長(zhǎng)工藝條件與比較示例1相同，在這里不再贅述。兩層uGaN隔層中的每一層的生長(zhǎng)工藝均如下
uGaN隔層反應(yīng)溫度700-1000℃，反應(yīng)腔壓力76-300Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，三甲基鎵流量為80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間為5-200秒。
實(shí)施例2本發(fā)明的實(shí)施例2與比較示例1的LED層結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于，在比較示例1的LED層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在量子阱層-壘層中的壘層兩側(cè)分別生長(zhǎng)一層不摻雜的uGaN隔層。所生長(zhǎng)的外延LED結(jié)構(gòu)為襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層-uGaN隔層、p型GaN:Mg層。
因此，實(shí)施例2的生長(zhǎng)方法為，按順序依次生長(zhǎng)緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層-uGaN隔層、p型GaN:Mg層。除了生長(zhǎng)uGaN隔層的工藝之外，其它生長(zhǎng)工藝條件與比較示例1相同，在這里不再贅述。兩層uGaN隔層中的每一層的生長(zhǎng)工藝均如下uGaN隔層反應(yīng)溫度700-1000℃，反應(yīng)腔壓力76-300Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，三甲基鎵流量為80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間為5-200秒。
實(shí)施例3本發(fā)明的實(shí)施例3與比較示例1的LED層結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于，在比較示例1的LED層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在量子阱層-壘層中間生長(zhǎng)一層不摻雜的uGaN隔層。所生長(zhǎng)的外延LED結(jié)構(gòu)為襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
因此，實(shí)施例3的生長(zhǎng)方法為，按順序依次生長(zhǎng)緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。除了生長(zhǎng)uGaN隔層的工藝之外，其它生長(zhǎng)工藝條件與比較示例1相同，在這里不再贅述。兩層uGaN隔層中的每一層的生長(zhǎng)工藝均如下
uGaN隔層反應(yīng)溫度700-1000℃，反應(yīng)腔壓力76-300Torr，載氣流量為5-20升/分鐘，三甲基鎵流量為80-400微摩爾/分鐘，氨氣流量為200-800摩爾/分鐘，生長(zhǎng)時(shí)間為20-200秒。
我們將上述三個(gè)實(shí)施例和比較示例1的LED結(jié)構(gòu)制作成14密耳的標(biāo)準(zhǔn)芯片，采用公司提供的KEITHLEY2400型光電測(cè)試儀，在20毫安的工作電流下測(cè)試上述三個(gè)實(shí)施例和比較示例1的LED芯片的光電特性。
為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，將采用上述三個(gè)實(shí)施例和比較示例1工藝所生長(zhǎng)的LED結(jié)構(gòu)的外延片分別按照相同的標(biāo)準(zhǔn)工藝制作成14密耳LED芯片，每個(gè)測(cè)試各取100顆上述LED芯片進(jìn)行，測(cè)量其平均值，結(jié)果比較如下

從上述結(jié)果分析，可以明顯地看出，通過適當(dāng)?shù)丶尤雞GaN隔層，可以顯著地降低LED芯片的反向漏電電流Ir，并提高LED芯片的良率，同時(shí)芯片的其它性能不會(huì)下降。因此，本發(fā)明對(duì)于提高LED芯片的性能特別是反向漏電性能以及LED芯片制造的良品率，都取得了非常顯著的效果。
盡管已經(jīng)結(jié)合實(shí)施例介紹了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全可以理解，基于相同的原理，除了可采用MOCVD(金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積)技術(shù)來外延生長(zhǎng)之外，也可采用其它生長(zhǎng)方法，例如采用分子束外延生長(zhǎng)(MOVPE)技術(shù)，或者鹵化物化學(xué)氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)等來生長(zhǎng)根據(jù)本發(fā)明的LED結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，包括襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、復(fù)合量子阱層-壘層、以及p型GaN:Mg層，其特征在于，通過加入uGaN隔層而使所述阱層與壘層被隔開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述量子阱層-壘層中的阱層兩側(cè)分別生長(zhǎng)一層不摻雜的uGaN隔層，使得所生長(zhǎng)的外延LED結(jié)構(gòu)為襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、uGaN隔層-量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述量子阱層-壘層中的壘層兩側(cè)分別生長(zhǎng)一層不摻雜的uGaN隔層，使得所生長(zhǎng)的外延LED結(jié)構(gòu)為襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層-uGaN隔層、p型GaN:Mg層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述量子阱層-壘層之間生長(zhǎng)一層不摻雜的uGaN隔層，使得所生長(zhǎng)的外延LED結(jié)構(gòu)為襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
5.一種生長(zhǎng)根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的方法，其特征于，依次執(zhí)行以下步驟生長(zhǎng)襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、uGaN隔層-量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
6.一種生長(zhǎng)根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，依次執(zhí)行以下步驟生長(zhǎng)襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層-uGaN隔層、p型GaNMg層。
7.一種生長(zhǎng)根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，依次執(zhí)行以下步驟生長(zhǎng)襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN:Si層、量子阱層-uGaN隔層-壘層、p型GaN:Mg層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種外延生長(zhǎng)的LED結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)方法，在傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)襯底層上的緩沖層、uGaN層、n型GaN∶Si層、復(fù)合量子阱層－壘層、p型GaN∶Mg層的基礎(chǔ)上，通過生長(zhǎng)不摻雜的uGaN隔層而使阱層與壘層被隔開，從而在界面處將復(fù)合量子阱層與壘層從物理上分隔開。結(jié)果表明，通過本發(fā)明的生長(zhǎng)方法所產(chǎn)生的LED結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)的LED相比，可以顯著地降低LED芯片的反向漏電電流Ir，并提高LED芯片的良品率。本發(fā)明可用于制造各種波長(zhǎng)的GaN基LED。
文檔編號(hào)H01L33/00GK1779998SQ20041005232
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者劉明德, 嚴(yán)志軍 申請(qǐng)人:方大集團(tuán)股份有限公司