專利名稱：一種GaN基發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種發(fā)光二極管的制造方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是ー種由Ga、N、As、P等的化合物制成的ニ極管，當電子與空穴復(fù)合時可以發(fā)出可見光，可用于制造發(fā)光器件，由于其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，工作電流小，使用方便，成本低，目前已廣泛應(yīng)用于各種光電系統(tǒng)。半導(dǎo)體發(fā)光二極管包括襯底以及依次沉積在襯底上的Ρ/N型外延層、有源層和P/N型外延層。襯底作為LED這座大廈的地基，具有重要的作用。藍寶石是ー種常用的LED襯底，藍寶石襯底中一般都會包括各種缺陷，例如位錯、間隙或空位等，缺陷會引起晶體應(yīng)變，應(yīng)變會造成襯底上外延層的品質(zhì)及性能降低，導(dǎo)致發(fā)光二極管的壽命縮短。 多年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過本領(lǐng)域技術(shù)人員的長期研究和實踐，形成了較為完善的晶體生長エ藝流程，減少了半導(dǎo)體襯底材料生長過程中形成的缺陷密度。但是，人們還希望得到缺陷密度更低的襯底，制得性能更佳、壽命更長的發(fā)光二極管。如何進ー步減少或消除缺陷成為本領(lǐng)域急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供了ー種GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制造方法，該方法可以明顯的減小發(fā)光二極管襯底中的晶體缺陷密度，提高發(fā)光二極管的性能和壽命。本發(fā)明的GaN基發(fā)光二極管包括依次層疊的襯底、η型接觸層、有源層和P型接觸層；其中，襯底為藍寶石，η型接觸層為η型AlGaN層，ρ型接觸層為P型GaN層；有源層為AlGaN多量子阱。有源層優(yōu)選為3-6個周期的ΑΙ^^Ν/ΑΙΑ^Ν多量子阱，其中x = 0-0. 5, y =O. 2—0. 7 ο有源層的厚度優(yōu)選為6_9nm。在藍寶石襯底和η型接觸層之間具有AlN模板層、低溫GaN插入層和AlGaN過渡層。在有源層和P型接觸層之間還包括P型電子阻擋層和P型過渡層。優(yōu)選的，P型電子阻擋層8為ρ型AlGaN層，ρ型過渡層9為ρ型AlGaN過渡層。本發(fā)明的GaN基發(fā)光二極管的制造方法包括準備并處理藍寶石襯底，以及在藍寶石襯底上依次沉積AlN模板層、低溫GaN插入層和AlGaN過渡層、η型接觸層、有源層、ρ型電子阻擋層、P型過渡層和P型接觸層。其中形成藍寶石襯底的方法包括如下步驟(I)在常溫常壓下，將藍寶石晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮；(2)對藍寶石晶片加熱的同時加壓，加熱至溫度為950 1020°C，加壓至壓カ為4. 5 4. 9GPa，保持10 15分鐘；其中，加熱速率為100°C /分鐘，加壓速率為O. 2 O. 3GPa/分鐘。(3)停止加熱，使藍寶石晶片冷卻至常溫；同時緩慢卸壓，使藍寶石晶片恢復(fù)至常壓。卸壓速度為O. 5 O. 8GPa/分鐘。(4)在高溫高壓裝置中退火20 30分鐘后，取出藍寶石晶片。


圖I為本發(fā)明的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。本發(fā)明的GaN基發(fā)光二極管的包括依次層疊的襯底l、n型接觸層2、有源層3和ρ型接觸層4。其中，襯底I為藍寶石，η型接觸層2為η型AlGaN層，P型接觸層4為ρ型GaN層。有源層3為AlGaN多量子阱，優(yōu)選的AlGaN有源層為3_6個周期的AlxGai_xN/AlyGa^N多量子阱，其中，阱的厚度為l-3nm，Al組分x = 0-0. 5 ;壘的厚度為5_10nm，Al組分y = O. 2-0. 7,其為發(fā)射深紫外光波段的量子講。在藍寶石襯底I和η型接觸層2之間具有AlN模板層5、低溫GaN插入層6和AlGaN過渡層7。在有源層3和ρ型接觸層4之間還包括ρ型電子阻擋層8和ρ型過渡層9。優(yōu)選的，P型電子阻擋層8為P型AlGaN層，ρ型過渡層9為ρ型AlGaN過渡層。本發(fā)明的GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的制造方法，包括準備并處理藍寶石襯底，以及在藍寶石襯底上依次沉積AlN模板層、低溫GaN插入層和AlGaN過渡層、η型接觸層、有源層、P型電子阻擋層、P型過渡層和P型接觸層。其中形成藍寶石襯底的方法包括如下步驟(I)在常溫常壓下，將藍寶石晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮；(2)對藍寶石晶片加熱的同時加壓，加熱溫度為950 1020°C，加壓壓カ為4. 5^4. 9GPa，保持10 15分鐘；此處的加壓壓カ也可以稱作加壓壓強。其中，加熱速率為IOO0C /分鐘，加壓速率為O. 2 O. 3GPa/分鐘。(3)停止加熱，使藍寶石晶片冷卻至常溫；同時緩慢卸壓，使藍寶石晶片恢復(fù)至常壓。卸壓速度為O. 5 O. 8GPa/分鐘。(4)在高溫高壓裝置中退火20 30分鐘后，取出藍寶石晶片。本發(fā)明進行了 30組不同溫度和壓カ范圍的實驗，對藍寶石晶片進行了高溫高壓處理。實驗數(shù)據(jù)表明，對藍寶石晶片實施加熱溫度為950 1020°C，加壓壓カ為4. 5^4. 9GPa的高溫高壓處理并退火后，其位錯和空隙的密度降低至處理前的25 35%，說明該方法明顯減少了晶片內(nèi)的缺陷密度。實驗數(shù)據(jù)也表明，處理后晶片的缺陷密度與加熱溫度、加壓壓カ有關(guān)，且溫度范圍和壓カ范圍其主要作用，但加熱、加壓以及卸壓速率也對缺陷密度的減少其作用，上文中已經(jīng)記載了優(yōu)選的溫度和壓カ范圍，以及優(yōu)選的加熱、加壓與卸壓速率。降溫不需采用特殊方法，停止加熱后自然冷卻即可。采用處理后的藍寶石晶片作為襯底形成的發(fā)光二極管，増大了擊穿場強，減少了漏電，増加了導(dǎo)熱性，光發(fā)射效率更高，可靠性更大。用于處理本發(fā)明的晶片的高溫高壓裝置可以采用已有的兩面頂和多面體高壓裝置，多面體高壓裝置包括六面體壓腔裝置和八面體壓腔裝置。優(yōu)選采用兩面頂大腔體靜高壓裝置，簡稱為兩面頂大壓機。該裝置的外殼和壓桿的材料均為合金鋼，壓砧的材料為碳化鎢。采用該兩面頂大壓機可以達到的最高壓カ為7GPa。其最高壓カ相比較多面體高壓裝置以及金剛石對頂砧超高壓裝置雖然低，但是由于其腔體體積大，處理樣品的直徑自十厘米左右，適合用于處理襯底晶片。在該高壓裝置中設(shè)有電熱裝置，其通過電熱絲提供加熱熱量，對電熱裝置通電后 可以對晶片進行加熱。加熱溫度最聞可達1700攝氏度。壓カ介質(zhì)為氯化鈉(NaCl)、氧化鎂(MgO)或液態(tài)氮氣，該介質(zhì)可以使壓カ均勻分布在晶體上，使得非各向同性應(yīng)カ最小。NaCl和MgO為低抗剪強度固體，其內(nèi)摩擦系數(shù)低于O. 2，可以很好的傳壓，同時起到隔熱的作用，以利于加溫加壓。液氮在起到傳壓作用的同時，可以抑止GaN在加熱和退火時的分解。在藍寶石襯底上依次沉積AlN模板層、低溫GaN插入層和AlGaN過渡層、η型接觸層、有源層、P型電子阻擋層、P型過渡層和P型接觸層的具體方法為采用金屬有機化學(xué)氣相沉積設(shè)備，采用金屬有機化學(xué)氣相沉積設(shè)備，將反應(yīng)室溫度升高到1050-1200°C，在藍寶石襯底上生長AlN模板層；將溫度降低到400_900で，壓カ30-200torr下在AlN模板層上生長厚度為20_50nm的GaN層作為低溫GaN插入層；升溫至1050-1200°C，在低溫GaN插入層上生長AlGaN過渡層；將反應(yīng)室溫度升高到1050_1200で，在低溫GaN插入層上生長AlGaN過渡層；保持溫度不變，在AlGaN過渡層上生長η型AlGaN層作為η型接觸層；保持溫度不變，在η型AlGaN層上生長發(fā)射深紫外光波段的AlGaN有源層；保持溫度不變，在AlGaN有源層上依次生長ρ型AlGaN電子阻擋層和過渡層；在ρ型AlGaN過渡層上生長ρ型GaN層作為ρ型接觸層。當然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種GaN基發(fā)光二極管，包括依次層疊的襯底、η型接觸層、有源層和P型接觸層；其特征在于， 襯底為藍寶石襯底，η型接觸層為η型AlGaN層，ρ型接觸層為ρ型GaN層；有源層為AlGaN多量子阱。
2.如權(quán)利要求I所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于，所述有源層為3-6個周期的AlxGahNAlyGahN 多量子阱，其中 χ = 0-0. 5, y = O. 2-0. 7。
3.如權(quán)利要求I或2所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于， 所述有源層的厚度優(yōu)選為6-9nm。
4.如權(quán)利要求I一 3之一所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于，在所述藍寶石襯底和η型接觸層之間具有AlN I吳板層、低溫GaN插入層和AlGaN過渡層。
5.如權(quán)利要求I一 4之一所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于，在所述有源層和所述P型接觸層之間還包括P型電子阻擋層和P型過渡層。
6.如權(quán)利要求5所述的GaN基發(fā)光二極管，其特征在于，所述ρ型電子阻擋層8為ρ型AlGaN層，所述ρ型過渡層9為ρ型AlGaN過渡層。
7.—種GaN基發(fā)光二極管的制造方法，包括如下步驟 準備并處理藍寶石襯底，以及在藍寶石襯底上依次沉積AlN模板層、低溫GaN插入層和AlGaN過渡層、η型接觸層、有源層、ρ型電子阻擋層、ρ型過渡層和P型接觸層；其特征在于， 所述處理藍寶石襯底的方法包括如下步驟 (1)在常溫常壓下，將藍寶石晶片放入高溫高壓裝置中，在高溫高壓裝置中加入傳壓介質(zhì)，該傳壓介質(zhì)為NaCL和液氮； (2)對藍寶石晶片加熱的同時加壓，加熱至溫度為950 1020°C，加壓至壓力為4.5 4. 9GPa，保持10 15分鐘； (3)停止加熱，使藍寶石晶片冷卻至常溫；同時緩慢卸壓，使藍寶石晶片恢復(fù)至常壓； (4)在高溫高壓裝置中退火20 30分鐘后，取出藍寶石晶片。
8.如權(quán)利要求7所述的GaN基發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，步驟(2)中加熱的 加熱速率為100°C /分鐘，加壓的加壓速率為O. 2 O. 3GPa/分鐘。
9.如權(quán)利要求7或8所述的GaN基發(fā)光二極管的制造方法，其特征在于，所述緩慢卸壓的卸壓速度為O. 5 O. 8GPa/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GaN基發(fā)光二極管包括依次層疊的襯底、n型接觸層、有源層和p型接觸層；其中襯底為藍寶石襯底，n型接觸層為n型AlGaN層，p型接觸層為p型GaN層；有源層為AlGaN多量子阱。本發(fā)明還公開了一種GaN基發(fā)光二極管的制造方法包括準備并處理藍寶石襯底，以及在藍寶石襯底上依次沉積AlN模板層、低溫GaN插入層和AlGaN過渡層、n型接觸層、有源層、p型電子阻擋層、p型過渡層和p型接觸層。采用處理后的藍寶石晶片作為襯底形成的發(fā)光二極管，增大了擊穿場強，減少了漏電，增加了導(dǎo)熱性，光發(fā)射效率更高，可靠性更大。該方法可以明顯的減小發(fā)光二極管襯底中的晶體缺陷密度，提高發(fā)光二極管的性能和壽命。
文檔編號H01L33/00GK102856450SQ20121035340
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者虞浩輝, 周宇杭 申請人:江蘇威納德照明科技有限公司