GaN基光电子器件及其制法制造技术

一种ＧａＮ基光电子器件，用ＭＯＶＰＥ技术在衬底上生长外延层，外延层包括按序生长的缓冲层，Ｎ－型Ａｌ↓［ａ］Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［ｃ］Ｎ层，量子阱组成有源层，Ｐ－型ＡｌＧａＮ限制层，Ｐ－型ＧａＮ层。其缓冲层为复合型缓冲层，包括Ｉｎ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ层和／或Ａｌ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｙ］Ｎ层（可Ｓｉ掺杂）。复合型缓冲层的生长温度为４００～８００℃；Ｎ－型ＧａＮ的生长温度为８００～１３００℃。复合型缓冲层可使Ｎ－型ＧａＮ层生长较厚，不仅达到降低缺陷密度和防止龟裂，而且优化发光二极管的性能。通过对复合型缓冲层的生长次序、组份和厚度的调整，可分别实现厚的和高质量的Ｎ－型ＧａＮ，Ｎ－型ＡｌＧａＮ，Ｎ－型ＩｎＧａＮ，和Ｎ－型ＡｌＩｎＧａＮ的生长，从而可以极大地提高各种不同波长（如紫外光、兰光和绿光）发光二极管制作的灵活性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及广泛意义上的GaN基光电子器件制作及相关的MOVPE生长技术，特别是发光二极管的制作技术。
技术介绍
众所周知，掺硅的N-GaN是所有相关的光电子器件的重要基础，通常器件的光学和电学性能是与这一层的晶体质量密切相关的。 如图1所示，一个常规的发光二极管包括蓝宝石衬底(100)和其上用MOVPE技术生长的一组外延层。这些外延层是由以下五层所组成一个低温缓冲层(110)，一个重掺杂的N-型GaN层(120)，一个由量子阱结构组成的有源区(130)，一个AlGaN限制层(140)，和一个P-型GaN层(150)。 在所有的外延层中，N-型GaN层是很重要的一层，它主要起以下三方面的作用。第一，通常需要N-型GaN层有较高的电导率，这样可以有效地分散电流且具有较低的正向操作电压因而降低能耗。第二，在以蓝宝石为衬底的发光二级管中，N-GaN层也是一个重要的光萃取层，光从N-GaN层侧面的发射是全部光输出的主要部份。因为光折射率的差异，有源区发出的大部分光没办法逃逸出来，所以需要做多方面的努力让芯片发出更多的光。其中之一的努力就是要把芯片加厚，尤其是N-型GaN层的厚度，因为理想状态下光的萃取率与N-型GaN层的厚度成正比。 最后一点但确是最重要的是，因为N-型GaN层是最初生长的“地基”层，它的晶体质量直接影响到后续各层的性能。因此一个高质量的无残余应力的N-型GaN层对于实现一个高性能的发光二极管是必不可少的。 然而，如果用常规的单层GaN[1]或AlN[2]做为低温缓冲层长在蓝宝石衬底上，由于晶格失配，后续的MOVPE生长会很难得到高质量的，足够厚的重掺N-型GaN层。 由于在生长过程中，应力是逐步累积的，当膜的厚度达到了某个值，也称作临界厚度，过大的应力就会破坏晶体键连，从而导致失配位错的出现和薄膜的龟裂。更严重的是，如果N-型GaN层的掺杂浓度很高，比如掺Si或其它杂质，这些替位式的杂质原子会造成晶格大小的进一步变化，从而使龟裂恶化，换句话讲，通常重掺的N-型GaN要比不掺杂的GaN层具有更小的临界厚度。 通常由于晶格失配和热膨胀系数的差异，在高温生长的过程中的应力释放会导致龟裂。重掺杂的较厚的N-型GaN层发生龟裂的几率要比较薄的层大得多。如果杂质是Si的话(Si原子半径比它所替代的Ga原子要小30％)，这种情况会变得尤其严重，。正常情况下如Si的掺杂浓度在5E18cm-3左右，N-型GaN层可长至2到3μm而不发生龟裂。但需要指出的是临界厚度也强烈依赖于生长温度。温度越高，临界厚度越小。 众所周知，位错和龟裂是发光二极管器件的致命缺陷[3]。它们经常直接导致器件的失效，典型的表现为局部发光甚至完全不发光。这些失效大大地降低了成品率，同时也相应地抬高了生产成本。这些缺陷也意味着会更多地会影响器件的可靠性。它们会加速老化进程，缩短器件寿命，从而导致运行过程中的高失效率。有龟裂的发光管通常不能抵抗高压静电放电，这就意味着它们可能会在有静电的环境突然失效。 减少龟裂的常规手段包括适当降低硅的掺杂浓度，降低N-型GaN层生长温度和减少N-型GaN层的厚度，基于前面的讨论，我们已经知道，降低掺杂浓度的害处是N-型GaN层电阻提高，因而会升高正向工作电压Vf。同时减薄N-型GaN厚度，也与我们前面提到的厚N-型GaN层的好处大相径庭。而降低N-型GaN层生长温度则更是会导致电子迁移率下降进而造成正向工作电压升高。 此外，从整体器件性能的角度看，为了进一步降低正向工作电压及功耗，从而减少热效应并提高器件可靠性，应当选择的工艺方向是高温生长，厚N-型GaN及高的掺杂浓度。 综上所述，对于一个用MOVPE生长的发光二极管器件，既然一个厚的重掺的N-型GaN层是必不可少的，那末减轻随之而引发的龟裂问题则变得刻不容缓，这样不仅会改善器件的性能，拓宽工艺条件窗口，也能更好地控制正向电压并从整体上改进产品质量和成品率。 参考文献[1]美国专利5290393号，专利技术人Nakamura等，1994年3月1日。 美国专利4855249号，专利技术人Akasaki等，1989年8月8日。 刘恒和阎春辉等，”AlInGaN基发光二极管芯片生产中的问题”，2003年SPIE会议文集第4996卷第125页。
技术实现思路
本项专利技术专门探讨和解决了前面提到的在当前LED制作工艺中利用重掺厚N-型GaN的优点而引发的潜在问题。 本项专利技术包括了使用MOVPE技术生长氮化镓基的器件，尤其是适合用于发光二极管器件的制作。器件结构包括衬底，低温复合缓冲层(LTCB)，N-型GaN层，量子阱有源层，P-型AlGaN限制层以及P-型GaN层。 如上所述，低温复合型缓冲层的使用极大地改进了器件的性能，尤其对于使用较厚的高温生长的重掺N-型GaN层的发光二极管提供进一步提高成品率和可靠性的保障。 后绪的论述和图示会进一步明显地展示本专利技术所带来的优势和益处。 以下有关本专利技术的详细论述和图示是为了更清楚地介绍所专利技术的内容，但并不意味着强调这些是唯一可使用和实施的技术方案。后绪的细节描述详尽地给出了用MOVPE技术生长氮化镓器件比如发光二极管或类似器件的具体步骤。然而，需要指出的是，用其它不同形式来实现相同或相当的功能的结构也同属于本专利技术的范畴之内。 此外，这里所直接讨论的是用MOVPE技术生长氮化镓基的发光二极管，这仅仅是举例说明的一种方法，而并不意味着限制本专利技术仅适用于此技术。对于那些本行业的专家来讲，他们会不难理解这一专利技术也同样适用于其它的沉积生长工艺(比如MBE和HVPE)。同样的，本专利技术不仅适用于发光二极管的制作，也同样可用于各种其它方面的器件制作。比如本专利技术可以用来去增强其它GaN基器件的性能和可靠性，包括大功率微波器件和超高功率开关器件。 本专利技术的主要宗旨是在于利用新型的预先生长的复合型低温缓冲层去获得足够厚的高晶体质量的N-型GaN层从而达到降低缺陷密度和防止龟裂的目的。这些生长在相对低的温度下(400℃到800℃)的复合型缓冲层可以有效地释放它们本身所累积的应力，进而提供一个几乎无残余应力和近晶格匹配的生长基板给后续所要长在其上的外延层。 本专利技术所提及的低温复合型缓冲层是直接生长在蓝宝石衬底上的。这一复合型缓冲层是由AlyGa1-yN和/或InxGa1-xN薄层所组成，而且它们可以按不同的次序出现，也可以有硅的掺入或不掺。这里用x和y表示元素的组份，它们的范围可以从0到1。 复合缓冲层内各层InxGa1-xN和AlyGa1-yN的厚度需要服从以下的规范。InxGa1-xN的厚度范围应控制在0～1000埃()，而AlyGa1-yN的厚度范围应控制在0～2000埃()，且InxGa1-xN和AlyGa1-yN的厚度不能同时为0。 复合缓冲层通常要在较低的温度条件下完成生长，即低于N-型GaN层的生长温度。通常N-型GaN的理想生长温度大约在800℃到1300℃。复合缓冲层的适宜生长温度则应在400℃到800℃。 另外，这里所述的复合型缓冲层中的InxGa1-xN层或AlyGa1-yN层均可以拓展为广义的AlaInbGacN层，其中a，b，c的范围是0到1，并且a+b+c＝1。 总本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＧａＮ基光电子器件，包括衬底和在其上的外延层，外延层为一个生长在衬底上的缓冲层，一个生长在缓冲层上的Ｎ－型ＧａＮ层，一个生长在Ｎ－型ＧａＮ层上的由单量子阱或多量子阱组成的有源层，一个生长在有源层上的Ｐ－型ＡｌＧａＮ限制层，一个生长在Ｐ－型ＡｌＧａＮ上的Ｐ－型ＧａＮ层，其特征在于衬底为蓝宝石，碳化硅，硅以及氧化锌；缓冲层为复合型缓冲层；所述复合型缓冲层为包括了一个Ｉｎ↓［ｘ］Ｇａ↓［１－ｘ］Ｎ层和／或一个Ａｌ↓［ｙ］Ｇａ↓［１－ｙ］Ｎ层，其中代表元素组份的ｘ和ｙ值范 围是０～１；所述的生长在缓冲层上的Ｎ－型ＧａＮ层为Ａｌ↓［ａ］Ｉｎ↓［ｂ］Ｇａ↓［ｃ］Ｎ层，其中ａ，ｂ，ｃ的范围是０到１，并且ａ＋ｂ＋ｃ＝１。

【技术特征摘要】
1.一种GaN基光电子器件，包括衬底和在其上的外延层，外延层为一个生长在衬底上的缓冲层，一个生长在缓冲层上的N-型GaN层，一个生长在N-型GaN层上的由单量子阱或多量子阱组成的有源层，一个生长在有源层上的P-型AlGaN限制层，一个生长在P-型AlGaN上的P-型GaN层，其特征在于衬底为蓝宝石，碳化硅，硅以及氧化锌；缓冲层为复合型缓冲层；所述复合型缓冲层为包括了一个InxGa1-xN层和/或一个AlyGa1-yN层，其中代表元素组份的x和y值范围是0～1；所述的生长在缓冲层上的N-型GaN层为AlaInbGacN层，其中a，b，c的范围是0到1，并且a+b+c＝1。2.根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述衬底为蓝宝石。3.根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述复合型缓冲层中InxGa1-xN贴向衬底一侧或AlyGa1-yN贴向衬底一侧。4.根据权利要求1所述GaN基光电子器件，其特征在于所述复合型缓冲层中InxGa1-xN层和AlyGa1-yN层均有掺杂，其掺杂的状...

【专利技术属性】
技术研发人员：阎春辉，肖志国，
申请(专利权)人：大连路明科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]