Led外延結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開了一種LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED外延結(jié)構(gòu)自下而上包括襯底、緩沖層、u型GaN層、n型GaN層、MQW有源層、AlGaN層、第一p型GaN層。與現(xiàn)有技術(shù)相比，第二p型GaN層(即接觸層)具有較高的Mg濃度摻雜，接觸層的空穴濃度較高，減少了第二p型GaN層與金屬接觸電阻率，亦使第二p型GaN層與金屬產(chǎn)生的勢(shì)壘區(qū)變窄，增加了載流子通過隧穿穿越金屬與半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘區(qū)幾率，減低大功率LED芯片的工作電壓，從而提高了大功率LED芯片的發(fā)光效率。
【專利說明】LED外延結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及半導(dǎo)體照明【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，是涉及一種LED外延結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)光二極管（LED)作為一種高效、環(huán)保和綠色新型固態(tài)照明光源，具有體積小、重 量輕、壽命長(zhǎng)、可靠性高及使用功耗低等優(yōu)點(diǎn)，使其得以廣泛應(yīng)用。特別地，隨著LED行業(yè)的 迅猛發(fā)展，LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用所占比例越來越高。隨著大功率LED芯片在照明領(lǐng)域廣 泛應(yīng)用，對(duì)大功率LED芯片發(fā)光效率要求與日俱增，要大功率LED芯片發(fā)光效率，一方面要 提高大功率芯片的亮度，另外一方面要降低大功率芯片在高電流密度下的工作電壓。
[0003] 藍(lán)光LED工作電壓主要是由電壓最小理論值、接觸電阻、低載流子濃度和低遷移 率材料的體電阻，載流子注入量子阱在導(dǎo)帶和價(jià)帶帶階處造成的能量損失等方面造成。因 此通過減小接觸電阻來降低工作電壓是降電壓的重要方式之一。
[0004] 在P型GaN(GaN即為氮化鎵）接觸比較難做，很少能獲得等于或小于1(Γ3 Ω · cm2 的接觸電阻率。低阻P型GaN材料歐姆接觸主要是受到兩個(gè)方面的制約：一方面是缺乏合 適的的接觸金屬材料，另外一方面是很難獲得高濃度P型摻雜GaN基材料。
[0005] 金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，若半導(dǎo)體一側(cè)的摻雜濃度很高，則勢(shì)壘區(qū)寬度將會(huì)變薄，載 流子可以通過隧穿效應(yīng)穿越勢(shì)壘，產(chǎn)生相當(dāng)大的隧穿電流，形成歐姆接觸。另外，摻雜濃度 越高，產(chǎn)生的空穴濃度越高，其電阻率越低。因此如何獲得高摻雜濃度P型GaN層是減小接 觸阻值，增加載流子穿越金屬與半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘區(qū)幾率是LED領(lǐng)域需要攻破的領(lǐng)域之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，以降低p型GaN基材料與金屬接觸電阻率，增 加載流子通過隧穿穿越金屬與半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘區(qū)幾率，減低大功率LED芯片的工作電壓， 從而提高大功率LED芯片的發(fā)光效率。
[0007] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED外延 結(jié)構(gòu)自下而上包括襯底、緩沖層、u型GaN層、η型GaN層、MQW有源層、AlGaN層、第一 p型 GaN層，其中，
[0008] 在第一 p型GaN層上還設(shè)置有第二p型GaN層，所述第二p型GaN層中的Mg濃度 大于第一 P型GaN層中Mg濃度，所述第二p型GaN層和所述第一 p型GaN層是在相同溫度 條件以及相同壓力條件下生長(zhǎng)的；其中，
[0009] 所述第二 p 型 GaN 層 Mg 濃度為 2. 5 X 102°_4 X 102°atoms/cm3,所述第一 p 型 GaN 層 Mg 濃度為 5 X 1019-8 X 1019atoms/cm3。
[0010] 優(yōu)選地，所述第二p型GaN層的厚度為5_12nm。
[0011] 優(yōu)選地，所述AlGaN層的厚度為40-70nm，所述第一 p型GaN層的厚度為50-100nm。
[0012] 優(yōu)選地，所述第二p型GaN層的生長(zhǎng)速度為所述第一 p型GaN層生長(zhǎng)速度的 1/5-1/3。
[0013] 優(yōu)選地，所述第二P型GaN層是在940-980°C溫度條件下生長(zhǎng)的。
[0014] 優(yōu)選地，所述第一 p型GaN層和所述第二p型GaN層采用相同的載氣來生長(zhǎng)。
[0015] 優(yōu)選地，所述載氣為氫氣。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)所述的LED外延結(jié)構(gòu)，第二p型GaN層（即接觸層）是設(shè) 置在第一 P型GaN層上的，且接觸層即第二p型GaN層Mg濃度在2. 5X 102°-4X 102°atoms/ cm3間，第二p型GaN層（即接觸層）的Mg濃度大于第一 p型GaN層的Mg濃度。由于第 二P型GaN層（即接觸層）較高M(jìn)g濃度摻雜，接觸層的空穴濃度較高，減少了第二p型GaN 層（即接觸層）與金屬接觸電阻率，亦使第二P型GaN層（即接觸層）與金屬產(chǎn)生的勢(shì)壘 區(qū)變窄，增加載流子通過隧穿穿越金屬與半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘區(qū)幾率，減低大功率LED芯片的 工作電壓，從而提高大功率LED芯片的發(fā)光效率。此外，本發(fā)明中的LED外延結(jié)構(gòu)中第二p 型GaN層（即接觸層）其生長(zhǎng)厚度較厚，該層能讓電流擴(kuò)散更加均勻，電流分布均勻則會(huì)使 得在測(cè)試抗靜電能力時(shí)產(chǎn)生瞬間電流值減小，降低靜電對(duì)芯片的損毀的幾率，提升了芯片 抗靜電能力（ESD)的良率。本發(fā)明中的LED外延結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)起來方便和簡(jiǎn)單，易于推 廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 此處所說明的附圖用來提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本申 請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。在附圖中：
[0018] 圖1為本發(fā)明提供的LED外延結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明提供的LED外延結(jié)構(gòu)中的接觸層與現(xiàn)有技術(shù)中接觸層電壓對(duì)比圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明提供的LED外延結(jié)構(gòu)中的接觸層與現(xiàn)有技術(shù)中接觸層ESD良率對(duì)比 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 如在說明書及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來指稱特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)可理解，硬件制造商可能會(huì)用不同名詞來稱呼同一個(gè)組件。本說明書及權(quán)利要求并不以 名稱的差異來作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區(qū)分的準(zhǔn)則。如在 通篇說明書及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的"包含"為一開放式用語，故應(yīng)解釋成"包含但不限定 于"。"大致"是指在可接收的誤差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所 述技術(shù)問題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。此外，"耦接"一詞在此包含任何直接及間接的電性 耦接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電 性耦接于所述第二裝置，或通過其他裝置或耦接手段間接地電性耦接至所述第二裝置。說 明書后續(xù)描述為實(shí)施本申請(qǐng)的較佳實(shí)施方式，然所述描述乃以說明本申請(qǐng)的一般原則為目 的，并非用以限定本申請(qǐng)的范圍。本申請(qǐng)的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
[0022] 在本發(fā)明中術(shù)語p型GaN層是指摻雜Mg或摻雜A1或同時(shí)摻雜Mg和A1后形成的 GaN層；術(shù)語η型GaN層是指慘雜Si后形成的GaN層；術(shù)語u型GaN層是指未慘雜的GaN 層。
[0023] 以下結(jié)合附圖對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不作為對(duì)本申請(qǐng)的限定。
[0024] 實(shí)施例1 :
[0025] 如圖1所示，本實(shí)施例提供一種LED外延結(jié)構(gòu)，包括襯底1、緩沖層2、u型GaN層 3、η型GaN層4、MQW有源層5、AlGaN層6、第一 p型GaN層7和第二p型GaN層8,緩沖層 2生長(zhǎng)在襯底1上，u型GaN層3生長(zhǎng)在緩沖層2上，η型GaN層4生長(zhǎng)在u型GaN層3上， MQW有源層5生長(zhǎng)在η型GaN層4上，AlGaN層6生長(zhǎng)在MQW有源層5上，第一 p型GaN層 7生長(zhǎng)在AlGaN層6上，第二p型GaN層8生長(zhǎng)在第一 p型GaN層7上。本發(fā)明提供的LED 外延結(jié)構(gòu)包含了高溫下生長(zhǎng)摻鎂的第一 pGaN層和采用低長(zhǎng)速和高摻雜的方式生長(zhǎng)第二p 型層（作為接觸層），該接觸層即第二P型GaN層可以實(shí)現(xiàn)較高M(jìn)g摻雜濃度，不但減少接觸 層即第二P型GaN層與金屬接觸電阻率，而且讓接觸層即第二p型GaN層與金屬產(chǎn)生的勢(shì) 壘區(qū)變窄，增加載流子通過隧穿穿越金屬與半導(dǎo)體接觸勢(shì)壘區(qū)幾率，降低大功率LED芯片 的工作電壓。
[0026] 本發(fā)明中的LED外延結(jié)構(gòu)，是運(yùn)用M0CVD生長(zhǎng)GaN外延層，采用高純氫氣或高純N2 或氫氣和N2混合氣體作為載氣，高純氨氣作為N源，金屬有機(jī)源三甲基鎵（TMGa)作為鎵 源，三甲基銦（TMIn)作為銦源，p型摻雜劑為二茂鎂（Cp2Mg)，襯底為藍(lán)寶石襯底，反應(yīng)壓力 在 50mbar 到 650mbar 之間。
[0027] 為了產(chǎn)生上述LED外延結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)的實(shí)施例可以按照以下具體實(shí)施步驟進(jìn)行：
[0028] 1)襯底處理：將襯底1在氫氣氣氛里進(jìn)行高溫退火，清潔所述襯底1表面，溫度控 制在1040-1080°C之間，襯底是適合GaN及其半導(dǎo)體外延材料生長(zhǎng)的材料，如藍(lán)寶石，SiC， 單晶Si等，反應(yīng)室壓力為50-150mbar，將襯底1高溫凈化15-25min ;
[0029] 2)生長(zhǎng)緩沖層：降低溫度至500-560°C，反應(yīng)室壓力為500-650mbar，在氫氣環(huán)境 下，在步驟1)中襯底1上生長(zhǎng)20-35nm厚的緩沖層2 ;
[0030] 3)生長(zhǎng)u型GaN層：將反應(yīng)室溫度升至1000-1120°C，反應(yīng)室壓力為500-650mbar， 在氫氣氣氛下，在步驟2)中的緩沖層2上生長(zhǎng)2-3. 5 μ m厚的u型GaN層3 ;
[0031] 4)生長(zhǎng)η型GaN層：將反應(yīng)室溫度升至1070-1110°C，反應(yīng)室壓力為500-650mbar， 在氫氣氣氛下，在步驟3)中的u型GaN層3上生長(zhǎng)2-3. 5 μ m厚的η型GaN層4, Si的摻雜 濃度為 8 X 1018_1· 5 X 1019atoms/cm3 ;
[0032] 5)生長(zhǎng)MQW有源層：降溫至800-970°C，反應(yīng)室壓力為300-500mbar，在氮?dú)鈿夥?下，在步驟4)中的η型GaN層4上生長(zhǎng)MQW有源層5,MQW有源層5是由InGaN和GaN組成 的多量子阱組成的，其中InGaN層厚度為2-3. 5nm，GaN厚度為8-13nm ;
[0033] 6)生長(zhǎng)AlGaN層：將反應(yīng)室溫度升至820-900°C，反應(yīng)室壓力為50-150mbar，在氮 氣氣氛下，在上述的MQW有源層5上生長(zhǎng)AlGaN層6 ;
[0034] 7)生長(zhǎng)第一 p型GaN層：將反應(yīng)室溫度升至940-980 °C，反應(yīng)室壓力為 300-500mbar，在氫氣氣氛下，在步驟6)的AlGaN層6上生長(zhǎng)70-100nm厚第一 p型GaN層 7 ；
[0035] 8)生長(zhǎng)第二p型GaN層：控制反應(yīng)室溫度為940-980 °C，反應(yīng)室壓力為 300-500mbar，在氫氣氣氛和低生長(zhǎng)速度條件下，在步驟7)中的第一 p型GaN層7上生 長(zhǎng)5-12nm厚的第二p型GaN層8,第二p型GaN層8的生長(zhǎng)速度為步驟7)中第一 p型 GaN層7的生長(zhǎng)速度的1/5-1/3,第二p型GaN層8即為本申請(qǐng)中的接觸層，Mg濃度為 2· 5X 1020_4X 1020atoms/cm3。
[0036] 9)退火：將溫度降至600?750°C，反應(yīng)室壓力為300-500mbar，在氮?dú)鈿夥障?，?化時(shí)間5-20min。
[0037] 對(duì)比試驗(yàn)1 :
[0038] 本對(duì)比例提供了一種歐姆接觸層的制備方法及包括其的LED外延結(jié)構(gòu)，包括以下 步驟：
[0039] 1、襯底處理：將溫度升至1040-1080°C，反應(yīng)室壓力為50-150mbar，將襯底處理 15_25min ;
[0040] 2、生長(zhǎng)緩沖層：將溫度升至500-560°C，反應(yīng)室壓力為500-650mbar，在氫氣氣氣 氛下，在上述襯底生長(zhǎng)20-35nm厚的緩沖層；
[0041] 3、生長(zhǎng)uGaN層：將反應(yīng)室溫度升至1000-1120°C，反應(yīng)室壓力為500-650mbar，在 氫氣氣氛下，在上述的緩沖層上生長(zhǎng)2-3. 5 μ m厚的uGaN層；
[0042] 4、生長(zhǎng)nGaN層：將反應(yīng)室溫度升至1070-11KTC，反應(yīng)室壓力為500-650mbar， 在氫氣氣氣氛下，在上述的uGaN層上生長(zhǎng)2-3. 5μπι厚的nGaN層，Si的摻雜濃度為 8X 1018-1. 5X 1019atoms/cm3 ；
[0043] 5、生長(zhǎng)MQW有源層：將反應(yīng)室溫度升至800-970°C，反應(yīng)室壓力為300-500mbar，在 氮?dú)鈿夥障拢谏鲜龅膎GaN層上生長(zhǎng)MQW有源層，MQW有源層是由InGaN和GaN組成的多 量子阱組成的，其中InGaN層厚度為2-3. 5nm，GaN厚度為8-13nm ;
[0044] 6、生長(zhǎng)AlGaN層：將反應(yīng)室溫度升至820-900°C，反應(yīng)室壓力為50-150mbar，在N2 氣氛下，在上述的MQW有源層上生長(zhǎng)P型AlGaN層；
[0045] 7、第一 P型GaN層：將反應(yīng)室溫度升至940-980°C，反應(yīng)室壓力為300-500mbar，在 氫氣氣氣氛下，在上述的MQW有源層上生長(zhǎng)70-100nm厚第一 P型GaN層；
[0046] 8、InGaN接觸層，反應(yīng)室溫度為 780-88(rC，反應(yīng)室壓力為 300-500mbar，在氮?dú)鈿?氛下，在上述的第一 P型GaN層上生長(zhǎng)2-5nm厚InGaN層作為接觸層。
[0047] 9、退火：將溫度降至600-750°C，反應(yīng)室壓力為300-500mbar，在氮?dú)鈿夥障?，活?時(shí)間 5-20min。
[0048] 測(cè)試：將實(shí)施例1和對(duì)比例1得到的產(chǎn)品制成28mil X 28mil的芯片，并進(jìn)行性能 測(cè)試。測(cè)試結(jié)果請(qǐng)見表1。
[0049] 表 1
[0050]

【權(quán)利要求】
1. 一種LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述LED外延結(jié)構(gòu)自下而上包括襯底、緩沖層、u型 GaN層、η型GaN層、MQW有源層、AlGaN層、第一 p型GaN層，其中， 在第一 P型GaN層上還設(shè)置有第二p型GaN層，所述第二p型GaN層中的Mg濃度大于 第一 p型GaN層中Mg濃度，所述第二p型GaN層和所述第一 p型GaN層是在相同溫度條件 以及相同壓力條件下生長(zhǎng)的；其中， 所述第二P型GaN層Mg濃度為2· 5X 102°-4X 102°atoms/cm3,所述第一 p型GaN層Mg 濃度為 5 X 1019_8 X 1019atoms/cm3。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二p型GaN層的厚度為 5_12nm〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述AlGaN層的厚度為40-70nm， 所述第一 P型GaN層的厚度為50-100nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二p型GaN層的生長(zhǎng)速度 為所述第一 P型GaN層生長(zhǎng)速度的1/5-1/3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二p型GaN層是在 940-980°C溫度條件下生長(zhǎng)的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一 p型GaN層和所述第二 P型GaN層采用相同的載氣來生長(zhǎng)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的LED外延結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述載氣為氫氣。
【文檔編號(hào)】H01L33/06GK104269474SQ201410520688
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】郝長(zhǎng)虹, 吳際, 王寧寧, 周向輝 申請(qǐng)人:湘能華磊光電股份有限公司