專利名稱：具有超高反向擊穿電壓的氮化鎵發(fā)光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體發(fā)光器件的設(shè)計和制作。更具 體地，本發(fā)明涉及用于制作具有超高反向擊穿電壓的基于GaN的半 導(dǎo)體發(fā)光器件的方法。
背景技術(shù)：
在基于氮化鎵的發(fā)光器件(LED)和激光器的開發(fā)中的最新成就 不僅將發(fā)光i普擴展到綠色、藍(lán)色和紫外線區(qū)域，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高的 發(fā)光效率。這是因為GaN材料具有在這些光語中允許光子發(fā)射的大 的直接帶隙。由于它們的高能量效率、高亮度和長的壽命，基于GaN 的半導(dǎo)體LED已經(jīng)廣泛地使用于包括全色彩大型屏幕顯示器、交通 燈、背光源和固態(tài)發(fā)光的應(yīng)用中。
基于GaN的LED通常包括p-n結(jié)的結(jié)構(gòu)。GaN-LED也可以包括 基于GaN的n型半導(dǎo)體層、多量子阱(MQW )有源區(qū)域和基于GaN 的p型半導(dǎo)體層。在發(fā)光過程中，以如下電壓正向偏置p-n結(jié)或者 MQW區(qū)域，該電壓造成電流通過有源層從p型層流到n型層。然而， LED有時可能由于許多原因、例如由于受到靜電放電(ESD)或者 意外地連接到反向電壓源而變得反向偏置。另外，當(dāng)交流電壓用來 驅(qū)動LED時，LED變得反向偏置。
當(dāng)LED反向偏置時，在反向電壓達(dá)到基于GaN的LED的反向寄 存電壓的水平之前幾乎沒有電流(稱為"反向電流")流過p-n結(jié)。當(dāng) 偏置電壓即使瞬間地超過擊穿電壓時，反向電流顯著地增加，這可 能造成對LED的永久損壞。注意到歸因于ESD的反向偏置可能特別 地有害，因為ESD電壓可能比丄ED的典型反向擊穿,電壓大得多，而 ESD事件的發(fā)生常常是不可預(yù)測的。常規(guī)基于GaN的LED通常表
現(xiàn)出低反向擊穿電壓，因此易于遭受這些反向擊穿的風(fēng)險。
一般希望制作具有高反向擊穿電壓的基于GaN的LED.以增加 LED的可靠性。然而一直難以在實踐中實現(xiàn)高的反向擊穿電壓。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個實施例提供一種基于氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體發(fā)光 器件(LED),包括n型基于GaN的半導(dǎo)體層(n型層)；有源層； 以及p型基于GaN的半導(dǎo)體層(p型層)。在生長有源層與p型層 之前通過使用氨氣(NH3)作為氮源來外延地生長n型層。在n型層 的外延生長過程中，V族元素與III族元素的流速比率或者V/III比 率從初始值逐漸地減少到最終值。
在對這一實施例的一種變形中，基于GaN的LED表現(xiàn)出等于或 者大于60伏特的反向擊穿電壓。
在對這 一 實施例的 一種變形中，初始v/in比率約在i ooo與i oooo 之間，而最終v/in比率約在150與500之間。
在又一變形中，初始V/III比率約在2000與5000之間。 在又一變形中，最終V/III比率約在200與300之間。 在對這一 實施例的 一種變形中，有源層充分地接近n型層中達(dá)到
最終v/in比率時所在的位置。
在對這一實施例的又一變形中，有源層處于在與n型層中達(dá)到最
終v/ni比率時所在的位置相距iooo埃之內(nèi)。
在對這一實施例的一種變形中，V/III比率減少工藝在n型層外
延生長開始之后不久開始。
在對這一實施例的一種變形中，v/in .比率減少工藝基本上是線 性的，其具有基本上恒定的減少速率。
在對這一實施例的一種變形中，v/in比率從初始,v/ni比率減少 到最終v/ni比率的持續(xù)時間充分地長。
在對這一實施例的一種變形中，基于GaN的LED的反向擊穿電 壓等于或者大于IIO伏特。...
在只于這一實施例的一種變形中，基于GaN的LED的4妾通電壓等 于或者少于3伏特。
在對這一實施例的一種變形中，有源層是InGaN/GaN多量于阱 (MQW)層。
圖1圖示了基于GaN的LED結(jié)構(gòu)的橫截面圖。 圖2呈現(xiàn)了流程圖，該流程示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例在 改變NH3流速的同時生長n型GaN層工藝。
具體實施例方式
呈現(xiàn)以下描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員實現(xiàn)和運用本發(fā)明，并且在特 定應(yīng)用及其要求的背景下提供該描述。對公開的實施例的各種修改 對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是明顯的，并且這里定義的 一般原理可以適 用于其它實施例和應(yīng)用而不脫離本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明不限 于所示實施例而將賦之以與權(quán)利要求書 一 致的最寬范圍。
概述
本發(fā)明的實施例有助于制作具有超高反向擊穿電壓的基于GaN 的LED。具體而言，通過生長n型層，然后外延地生長有源層和p 型層來制作這樣的基于GaN的LED的結(jié)構(gòu)。在沉積n型層的洞時， 將氨氣(NH3)用作氮源。取代了使用恒定的NH3流速，調(diào)節(jié)NH3 流速使得V族元素與III族元素之間的流速比率(稱為V/III比率) 從初始值逐漸地減少到顯著低于初始值的最終值?？刂芕/III比率減 少工藝使得變化速率遞減而減少工藝的持續(xù)時間充分地長。在基于 GaN的LED的最終結(jié)構(gòu)中，有源層充分地接近n-型層中到達(dá)最終 V/III比率時所在的位置。
基于GaN的LED結(jié)構(gòu)
圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于GaN的LED結(jié)構(gòu)100 的橫截面圖。如圖1中所示，在襯底102上制作基于GaN的LED結(jié) 構(gòu)100。村底102可以包括但不限于藍(lán)寶石(A1203 )襯底、碳化硅 (SiC)襯底、砷化鎵(GaAs)襯底和/或硅(Si)襯底。
注意到基于GaN的LED結(jié)構(gòu)100包括n型層106、有源層108 和p型層110。這三個層形成LED器件的基本結(jié)構(gòu)。更具體地，在 一個實施例中，先在襯底102上外延地生長n型層106,然后生長有 源層108和p型層110。在本發(fā)明的一個實施例中，有源層108包括 InGaN/GaN MQW結(jié)構(gòu)。MQW結(jié)構(gòu)有助于較高的載流子密度并且因 此有助于增加載流子的重新組合速率，這能夠提高發(fā)光效率。
可選地，可以在生長n型層106之前在襯底102上形成緩沖層 104。這對于晶格恒定和/或熱膨脹系數(shù)匹配的目的而言是有利。雖然 圖1中未示出，但是基于GaN的LED結(jié)構(gòu)也可以包括分別電耦合到 n型層106和p型層IIO的n型電極和p型電極。注意到這些電極可 以通過使用任何電極制作技術(shù)以任何結(jié)構(gòu)來制作。這樣的技術(shù)包括 物理氣相沉積和/或化學(xué)氣相沉積。
用于外延地生長基于GaN的LED結(jié)構(gòu)100的技術(shù)可以包括但不 限于金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)、混 合氣相外延(HVPE)和/或金屬有機氣相外延(MOVPE)。
注意到在襯底102上外延生長n型GaN層106需要Ga源和N源 兩者。特別地，三曱基鎵(TMGa)和氨(NH3)可以分別用作鎵(III 族)源和N ( V族)源。在n型層的制作過程中，TMGa和NH3都 處于氣相，而這些氣體以預(yù)定的流速^C引入到沉積室中。
通常，在用于n型層的制作工藝過程中維持某一V/III比率。在 通常n型層的制作工藝中，V/III比率近似地保持于1000與10000 之間，優(yōu)選為2000與5000之間。
通過改變NH,流速來實現(xiàn)超高反向擊穿電壓 '
本發(fā)明的實施例提供一種用于通過在n型層沉積過程中通過改
變NH3流速使得v/ni比率從常規(guī)值減少到小于常規(guī)值的最終值來實
現(xiàn)GaNLED的超高反向擊穿電壓的方法。圖2呈現(xiàn)了流程圖，該流 程示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例在改變NH3流速的同時生長n 型層的工藝。
該工藝從使用與初始V/III比率相對應(yīng)的初始NH3流速來沉積n 型層(操作202)開始。在本發(fā)明的一個實施例中，初始流速可以是 通常用于n型層外延生長的正常流速，而初始V/III比率可以在1000 與10000之間。注意到TMGa的流速也#/^殳置成通常以jxmol/min為 單位來表示的正常值。在實踐中，NH3流速與TMGa流速之比可以 近似為2000-5000。
在已經(jīng)開始n型GaN沉積之后，該工藝然后逐漸地將NH3流速 從初始流速減少到造成最終V/III比率的最終流速(操作204)。在 一個實施例中，NH3流速的減少可以在外延生長已經(jīng)開始之后不久 開始。在又一實施例中，NH3流速可以在已經(jīng)以初始流速埤.行外延 生長預(yù)定時間段之后開始減少。注意到最終流速顯著地小于初始流 速。在本發(fā)明的一個實施例中，最終V/III比率在初始V/III比率的
約io%與30%之間。例如，如果初始v/m比率是2200,則最終v/m
比率可以近似為250。由于源氣體的實際流速取決于各種沉積條件，
比如沉積室尺寸和生長效率，所以實際流速可以變化。
注意到在一個實施例中通過減少NH3流速來實現(xiàn)的將.V/in比率
從初始值減少到最終值可以遵循可以通過不同函數(shù)來近似的不同形 式。這些函數(shù)可以包括但不限于具有恒定減少速率的線性減少或者 以可變的減少速率曲線為基礎(chǔ)的非線性減少。另外，流速減少:工藝 可以基于 一 系列離散的小階躍而不是平滑連續(xù)變化。在又 一 實施例
中，操作204可以包括上述減少技術(shù)的組合。例如，流速減少過程
可以從線性減少開始直至達(dá)到中間流速、然后遵循非線性函數(shù)繼續(xù) 趨于最終速率。
由于NH3流速變化是逐漸的而整個流速變化是顯著的，所以流速
從初始流速減少到最終流速的持續(xù)時段理想上是充分地長的。在本
發(fā)明的一個實施例中，這一工藝的持續(xù)時間等于或者大于n型層的 整個外延生長時間的50% 。
接著，該過程在已經(jīng)達(dá)到最終流V/III比率時中斷NH3流速的逐 漸減少(操作206)。注意到在n型層中達(dá)到最終流速時所在的位置 理想上充分地接近n型層與有源層之間的分界面。在本發(fā)明的一個 實施例中，有源層近似地處于與在n型層中達(dá)到最終流速時所在的 位置相距IOOO埃之內(nèi)。在本發(fā)明的又一實施例中，有源層與n型層 之間的分界面就是在達(dá)到最終流速時所在之處。注意到可以在完成n 型層外延生長之前達(dá)到最終流速。在這一情況下，系統(tǒng)可以繼續(xù)以 最終流速提供NH3直至n型層沉積工藝結(jié)束。
在本發(fā)明的一個實施例中，可以在n型層沉積工藝的整個過程中 保持TMGa流速恒定。在更多實施例中，可以改變TMGa流速以幫 助減少V/III比率。例如，可以在減少NH3流的同時增加TMGa流速。
在完成n型層的沉積時，在正常的外延生長條件之下執(zhí)行有源層 和p型層的沉積。
所制造的基于GaN的LED器件的性盾
觀察到使用這里教導(dǎo)的工藝來制造的基于GaN的LED表現(xiàn)出超 高的反向擊穿電壓。使用這一技術(shù)來荻得的典型反向擊穿電壓可以 等于或者大于60伏特。也已經(jīng)獲得等于或者大于IIO伏特的反向擊 穿電壓。與通常具有約20伏特反向擊穿電壓的常規(guī)LED相比^使 用所提供的技術(shù)來制造的GaN LED表現(xiàn)出顯著改進的可靠性。
另外觀察到使用本發(fā)明的技術(shù)來制造的基于GaN的LED的接通 電壓可以等于或者少于與使用常規(guī)工藝來制造的GaNLED的接通電 壓基本上相同的3伏特。
雖然在GaN LED的背景下描述了本發(fā)明，但是所提出的技術(shù)也 適用于制造基于GaN的半導(dǎo)體激光器以實現(xiàn)高反向擊穿電壓。
對本發(fā)明實施例的以上描述'是僅出于:解釋和說明的目的而呈現(xiàn) 的。它們并不旨在于窮舉本發(fā)明或者將本發(fā)明限制于公開的形式。
因而，許多々爹改和變化對于本領(lǐng)域」技術(shù)人員將是明顯的。此外，以 上公開并不旨在于限制本發(fā)明。本發(fā)明的范圍通過所附權(quán)利要求書
來限定。
權(quán)利要求
1. 一種基于氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)，包括:n型基于GaN的半導(dǎo)體層(n型層)；有源層；以及p型基于GaN的半導(dǎo)體層(p型層)；其中在生長所述有源層與所述p型層之前通過使用氨氣(NH3)作為氮源來外延地生長所述n型層；以及其中在所述n型層的外延生長過程中V族元素與III族元素的流速比率或者V/III比率從初始值逐漸地減少到最終值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GaN的半導(dǎo)體， 其中所述基于GaN的LED表現(xiàn)出等于或者大于60伏特的反向擊穿電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GaN的半導(dǎo)體， 其中所述初始V/III比率約在1000與10000之間；以及 其中所述最終V/ni比率約在150與500之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于GaN的半導(dǎo)體，其中所述初始v/nr比率:約在2000與5ooo之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于GaN的半導(dǎo)體， 其中所述最終V/III比率約在200與300之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GaN的半導(dǎo)體，其中所述有源層充分地接近所述n型層中達(dá)到所述最終V/III比 率時所在的位置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于GaN的半導(dǎo)體， 其中所述有源層處于在與所述n型層中達(dá)到所述最終V/III比率時所在的位置相距1000埃之內(nèi)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所迷:的基于GaN的半導(dǎo)體，， 其中所述v/m比率減少工藝在所述n型層外延生長開始之后不久開始。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GaN的半導(dǎo)體，其中所述V/III比率減少工藝基本上是線性的，其具有基本上恒 定的減少速率。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GaN的半導(dǎo)體，其中所述v/in比率從所述初始v/in比率減少到所述最終v/ni 比率的持續(xù)時間充分地長。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GaN的半導(dǎo)體， 其中所述基于GaN的LED的所述反向擊穿電壓等于或者大于110伏特。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GaN的半導(dǎo)體， 其中所述基于GaN的LED的所述接通電壓等于或者少于3伏特。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GaN的半導(dǎo)體， 其中所述有源層是InGaN/GaN多量子阱(MQW )層。
14. 一種用于制作基于氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)的方法，包4#:在使用氨氣(NH3)作為氮源的同時在生長襯底上外延地生長n 型基于GaN的半導(dǎo)體層(n型層)，其中在外延地生長所述n型層 的同時，將V族元素與III族元素的流速比率或者V/III比率從初始值逐漸地減少到最終值；以及在所述n型層上外延地生長有源層和p型基于GaN的半導(dǎo)體層(p型層)； .其中所述n型層、所述有源層和所述p型層形成所述基于GaN 的LED的結(jié)構(gòu)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述基于GaN的LED表現(xiàn)出等于或者大于60伏特的反向 擊穿電壓。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述初始V/III比率約在1000與10000之間；以及 其中所述最終V/III比率約在150與500之間。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述初始V/III比率約 在2000與5000之間。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述最終V/III比率約在200與300之間。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述有源層充分地接近 所述n型層中達(dá)到所述最終v/in比率時所在的位置。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述有源層處于在與所 述n型層中達(dá)到所述最終V/III比率時所在的位置相距1000埃之內(nèi)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述方法還包括在所述 n型層外延生長開始之后不久開始所述V/III比率減少工藝。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中逐漸地減少所述V/III比率包括將所述v/in比率從所述初始v/in比率基本上線性地減少 到所述最終v/in比率。
23. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中將所述v'/ni比率叢所 述初始v/ni比率逐漸地減少到所述最終v/in比率的持續(xù)時間充分 地長。
24. 根據(jù)權(quán)利要求14所迷的方法，其中所述基于GaN.的LED 的所述反向擊穿電壓等于或者大于110伏特。
25. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述基于GaN的LED 的所述接通電壓等于或者少于3伏特。
26. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述有源層是InGaN/GaN 多量子阱(MQW)層。
27. —種用于制作基于氮化鎵(GaN )的半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED ) 的系統(tǒng)，包括沉積機構(gòu)，配置用以在使用氨氣(NH3)作為氮源的同時在生長 襯底上外延地生長n型基于GaN的半導(dǎo)體層(n型層)，其中所述沉積才幾構(gòu)被配置用以將V族元素與III族元素的流速比 率或者V/III比率從初始值逐漸地減少到最終值；以及 其中所述沉積機構(gòu);波配置用以在所述n型層上外延地生長有源 層和p型基于GaN的半導(dǎo)體層(p型層)；其中所述n型層、所述有源層和所述p型層形成所述基于GaN 的LED的結(jié)構(gòu)；以及其中所述基于GaN的LED表現(xiàn)出等于或者大于60伏特的反向 擊穿電壓。
全文摘要
本發(fā)明的一個實施例提供一種基于氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED)，包括n型基于GaN的半導(dǎo)體層(n型層)；有源層；以及p型基于GaN的半導(dǎo)體層(p型層)。在生長有源層與p型層之前通過使用氨氣(NH<sub>3</sub>)作為氮源來外延地生長n型層。在V族元素和III族元素之間的流速比率從初始值逐漸地減少到最終值?；贕aN的LED表現(xiàn)出等于或者大于60伏特的反向擊穿電壓。
文檔編號H01L33/00GK101378102SQ20071016802
公開日2009年3月4日 申請日期2007年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者方文卿, 江風(fēng)益, 熊傳兵, 立 王, 莫春蘭, 勇 蒲 申請人:晶能光電(江西)有限公司