專利名稱：具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED (發(fā)光二極管)，屬于光 電子技術領域。
背景技術：
以GaN為代表的三族氮化物(AlN、GaN、InN、AlGaInN)由于具有優(yōu)良的光電特性， 因而在藍光、綠光、紫外發(fā)光二極管(LED)及高頻、高溫大功率電子器件中得到廣泛應用。 由于缺乏晶格匹配的襯底，三族氮化物都是異質外延在其他材料上，常用的襯底有藍寶石、 SiC(碳化硅)、Si (硅)、砷化鎵、氧化鋅等，常用的外延方法有金屬有機物化學氣相沉積 (MOCVD)、分子束外延(MBE)和氫化物氣相外延(HVPE)等。而SiC(碳化硅)是寬帶隙半導體材料，與Si相比，它在應用中具有諸多優(yōu)勢。由 于具有較寬的帶隙，SiC器件的工作溫度可高達600°C，SiC的熱導率為4. 5ff/cmK, Si的熱 導率為1. 5ff/cmK,藍寶石的熱導率為0. 5W/cmK。由上看出，SiC和Si的熱導率相對于藍寶 石優(yōu)秀，尤其在大功率器件上，SiC和Si有更加廣闊的前景。SiC器件的高溫工作能力降低 了對系統(tǒng)熱預算的要求。此外，SiC器件還具有較高的熱導率、高擊穿電場強度、高飽和漂 移速率、高熱穩(wěn)定性和化學惰性，其擊穿電場強度比同類Si器件要高。綜合比較看，與藍寶 石襯底相比，SiC與Si襯底生長的LED材料，導熱性能優(yōu)秀。目前生產的GaN基發(fā)光二極管中藍色、綠色、藍綠色二極管，都采用藍寶石襯底， 使用MOCVD技術生產的芯片。此種芯片的特點是亮度好、技術相對成熟，專利糾紛或沖突 相對較少。所以，世界上多數(shù)芯片廠家(包括中國臺灣、韓國、日本大多數(shù)廠商)采用此種 技術生產藍、綠光芯片(只有美國CREE除外，采用SiC襯底)。此種芯片的缺點是抗靜電能 力較差，若受靜電沖擊，會導致Vf (正向壓降)升高，亮度降低以致死燈現(xiàn)象，所以如何防止 靜電，是藍、綠發(fā)光二極管生產及使用中最主要的問題。以PN結結構為主的LED，在制造、篩選、測試、包裝、儲運及安裝使用等環(huán)節(jié)，難免 不受靜電感應影響而產生感應電荷。若得不到及時釋放，LED的兩個電極上形成的較高電 壓將直接加上LED芯片的PN結兩端。當電壓超過LED的最大承受值后，靜電電荷將以極短 的瞬間(納秒級別)在LED芯片的兩個電極之間進行放電，功率焦耳的熱量將使得LED芯 片內部的導電層、PN發(fā)光層的局部形成高溫，高溫將會把這些層熔融成小孔，從而造成漏電 以及短路的現(xiàn)象。靜電擊傷的表現(xiàn)芯片受到靜電擊傷，在其表面會形成黑色斑點，此黑色斑點將不 會再發(fā)光，所以，芯片受到擊傷的程度不同，其表現(xiàn)也不同。輕微的擊傷，也許表面上看不出 來，但亮度會少量降低，亮度會衰減，IR值(反向電流)升高；中度擊傷的芯片，其管壓降會 明顯升高(可能會升高至4. OV 5. 5V以上)，亮度明顯降低(原正常亮度的50%以下)， IR升高，嚴重影響壽命，在使用過程中會逐漸失去功能，最后也可能造成死燈。所以，目前的 藍，綠發(fā)光二極管在生產及使用的過程中，一定要做好防靜電措施，并定期檢查接地電阻， 這樣，才可以大幅度避免死燈現(xiàn)象。[0007]LED芯片的GaN材料為寬禁帶材料，電阻率較高，并且使用藍寶石作為襯底，該襯 底材料不導電，該類芯片在生產過程中因靜電產生的感生電荷不易消失，累積到相當?shù)某?度，可以產生很高的靜電電壓。當超過材料的承受能力時，會發(fā)生擊穿現(xiàn)象并放電。藍寶 石襯底的藍色芯片其正負電極均位于芯片上面，間距很?。粚τ贗nGaN/GaN多量子阱結構， InGaN有源層僅幾十納米，對靜電的承受能力很小，極易被靜電擊穿，使器件失效。GaN基 LED和傳統(tǒng)的LED相比，抗靜電能力差是其鮮明的缺點，靜電導致的失效問題已成為影響產 品合格率和使用推廣的一個非常棘手的問題。藍，綠發(fā)光管目前抗靜電能力水平抗靜電能力只有50V左右，反向靜電500V以上 將會立即導致死掉。正向靜電在1500V以上也會立即導致嚴重損傷，而在北方冬天，人體的 靜電大約在1000V-1500V左右，所以，人體直接接觸二極管是導致二極管損傷的主要原因。 在任何生產，使用二極管的過程中，均要嚴格禁止人體在無防靜電措施直接接觸二極管。在目前的防護措施中，二極管生產均采用正品二極管芯片，在嚴格的生產條件下 (無塵，所有工序防靜電)生產二極管，生產標準(IR漏電標準)嚴格控制在5V，10 μ A的標 準，行業(yè)標準5V，50 μ Α”在生產、檢測、包裝的全過程中，全部實現(xiàn)自動化，完全避免了人為 因數(shù)影響，確保產品品質。但是這些都只能從外觀和防護方面做文章，不能解決實質性的問 題?，F(xiàn)有藍寶石襯底GaN基發(fā)光二極管的結構如圖1所示，自下至上包括藍寶石襯 底5、AlN緩沖層4、N型GaN層3、MQW(多量子阱)層2和P型GaN層1。中國專利文獻 CN101359710A公開了《一種綠光發(fā)光二極管的制造方法》，該方法是通過在生長InGaN和 GaN的MQW (量子阱)中加入InAlGaN的插入層，減小InGaN和GaN之間的V性缺陷，減少In 組分的析出，獲得高亮度的、抗靜電能力強的綠色LED。此技術的優(yōu)點是通過插入層的增加， 亮度從IOOmcd增加到250mcd，靜電擊穿電壓從500V增加到4000V。但是此工藝使用的襯 底為藍寶石。要在MQW層中插入InAlGaN、AlGaN、InGaN或InAlN層，該層厚度為0. l_5nm， MQW層本身較薄，生長工藝上同時控制Al和In生長，要在生長時引入操作非常困難，很有可 能破壞MQW，導致不發(fā)光。
發(fā)明內容本實用新型針對現(xiàn)有藍寶石襯底GaN發(fā)光二極管的靜電擊穿電壓提高技術存在 的不足，提供一種制備工藝簡單、易于實現(xiàn)的具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED。本實用新型的具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED，其結構自下至上依次包括SiC 或Si襯底、AlN緩沖層、N型GaN層、MQff (多量子阱)層和P型GaN層，N型GaN層中設有 一層厚度為20nm-100nm的AlGaN插入層。上述以SiC或者Si作為襯底生長GaN基LED的結構是在N型GaN層中插入一層 AlGaN來提高靜電擊穿電壓。在異質結界面處由于極化效應導致界面處有正的束縛電荷，這 一 AlGaN層束縛電荷會誘導形成一個二維電子氣。該二維電子氣橫向導電能力強，利于電 流擴展；當脈沖電流加在LED時，通過二維電子氣把電流均勻擴展，避免局部電流過高，減 小反向脈沖對LED的破壞。本實用新型是通過改變襯底材料和LED的生長結構，在SiC、Si襯底上直接在生長 N型GaN層時插入一層AlGaN，從根本上增強發(fā)光二極管芯片的抗擊穿電壓，由于NGaN層本
4身較厚，插入AlGaN層時只需要引入TMAl (三甲基鋁)，生長非常容易實現(xiàn)，反向抗靜電能 力由普通結構的500V-1000V提高到了 2000V-4000V。反向擊穿電壓由原來的15V提高到 30V。亮度由50-80mcd提高到了 80_100mcd，168小時老化衰減也由原來的20% -30%提高 到了 5% -10%。

圖1是現(xiàn)有藍寶石襯底GaN基發(fā)光二極管的結構示意圖。圖2是本實用新型具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED的結構示意圖。圖中1、P型GaN層，2、MQW(多量子阱)層，3、N型GaN層，4、AlN緩沖層，5、藍寶 石襯底，6、AlGaN插入層，7、SiC或Si襯底。
具體實施方式
如圖2所示，本實用新型的具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED，其結構自下至 上依次包括SiC或Si襯底7、AlN緩沖層4、N型GaN層3、AlGaN插入層6、N型GaN層3， MQff(多量子阱)層2和P型GaN層1。其制備方法是采用MOCVD (金屬有機物化學氣相沉 淀)方法生長，在生長N型GaN層時插入一層AlGaN，其余過程與現(xiàn)有常規(guī)制備技術一樣，具 體包括以下步驟(1)在1000°C -IlOO0C^NH3流量為IL/分鐘-3L/分鐘的條件下在SiC或Si襯底 7上進行AlN緩沖層4的生長，生長厚度為20nm-100nm得到平整的表面。該步驟與現(xiàn)有按
常規(guī)方法一樣。(2)在950°C-1100°C生長Ium厚的N型GaN層3，該步驟與現(xiàn)有按常規(guī)方法一樣。(3)待生長GaN到Ium厚時，引入TMAl (三甲基鋁)，原來的源引入不變，然后溫度 由 950°C -1100°C 降低到 900°C -1050°C下生長 AlGaN 插入層 6，厚度為 20nm_100nm。(4)在950°C -1100°C生長0. lum-0. 5um厚的N型GaN層3。該步驟與現(xiàn)有按常規(guī)
方法一樣。(5)在600°C -900°C生長80nm_200nm厚的MQW層2。該步驟與現(xiàn)有按常規(guī)方法一樣。(6)在700°C -1000°C生長150nm_300nm厚的P型GaN層1。該步驟與現(xiàn)有按常規(guī)
方法一樣。通過此方法生長的LED，反向抗靜電能力由普通結構的500V-1000V提高到了 2000V-4000V，反向擊穿電壓由原來的15V提高到30V。并且亮度也提高了三分之一。因為 使用SiC或Si作為襯底，散熱能力強，導電能力好，管芯工藝簡單，更加重要的是解決了老 化問題，使得發(fā)光二極管具有了更長的壽命。
權利要求一種具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED，其結構自下至上依次包括SiC或Si襯底、AlN緩沖層、N型GaN層、MQW層和P型GaN層，其特征是N型GaN層中設有一層厚度為20nm 100nm的AlGaN插入層。
專利摘要本實用新型提供了一種具有較高靜電擊穿電壓的GaN基LED，其結構自下至上依次包括SiC或Si襯底、AlN緩沖層、N型GaN層、MQW層和P型GaN層，N型GaN層中設有一層厚度為20nm-100nm的AlGaN插入層。本實用新型是通過改變襯底材料和LED的生長結構，在SiC、Si襯底上直接在生長N型GaN層時插入一層AlGaN，從根本上增強發(fā)光二極管芯片的抗擊穿電壓，由于NGaN層本身較厚，插入AlGaN層時只需要引入TMA1，生長非常容易實現(xiàn)，反向抗靜電能力由普通結構的500V-1000V提高到了2000V-4000V，反向擊穿電壓由原來的15V提高到30V，亮度由50-80mcd提高到了80-100mcd。
文檔編號H01L33/14GK201749864SQ201020167238
公開日2011年2月16日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權日2010年4月23日
發(fā)明者吳德華, 徐現(xiàn)剛, 曲爽, 朱學亮, 李樹強 申請人:山東華光光電子有限公司