CN113571611A - 一种具有抗静电能力的外延片及其在发光二极管中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体领域，公开了一种具有抗静电能力的外延片及其在发光二极管中的应用，该外延片包括衬底以及依次沉积在其上的缓冲层、N型掺杂GaN层、电子缓冲层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，应力释放层为InGaN子层与GaN子层交替生长的周期性结构；在周期性结构中，InGaN子层的厚度为1～2nm，GaN子层的厚度范围为46~60nm；在应力释放层和多量子阱层中具有密度为6×108cm‑2~8×108cm‑2的V型缺陷。本发明通过控制应力释放层中GaN子层的厚度，增加了LED外延层中的V型缺陷的密度和大小，降低器件的电流密度，减少器件热击穿的概率，提高抗静电能力。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，特别涉及一种具有抗静电能力的外延片及其在发光二极管中的应用。
背景技术
LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种将电能转化为光能的电子元件。它具有高亮度、低能耗、长寿命和响应速度快能特点，是一种绿色环保型的固体光源，在照明、显示等领域有着广泛的应用前景，尤其是现在，随着LED的成本的降低和效率的提高，LED相对于其它传统光源的优势逐渐显现出来，尤其在照明领域所占的比重越来越大，市场前景也越来越好。现有技术中发光二极管结构，参看附图1，具体包括如下结构：蓝宝石衬底10，以及依次沉积在衬底10上的缓冲层20、非掺杂GaN层30、N型掺杂GaN层40、N型AlGaN电子缓冲层50、 应力释放层60、多量子阱发光层70、P型ALGaN电子阻挡层80、P型GaN层90。
在传统的LED外延工艺中，由于异质外延，蓝宝石衬底10和GaN外延层存在大的晶格失配和热失配，量子阱生长中形成V型坑（V pits）缺陷，导致量子阱生长质量和界面质量较差，非辐射复合增加，导致内量子效率降低。现有技术中为了减少V型缺陷，以提高生长质量，通常采用低温生长应力释放层60或采用10～30个周期的超晶格结构形成应力释放层60。如中国专利109545925 B，其公开的低温应力释放层60为第一InGaN子层与 第一GaN子层交替生长的周期性结构，所述第一InGaN子层的厚度为1～2nm，所述第一GaN子层的厚度为5～10nm，所述第一InGaN子层或所述第一GaN子层的数量为10～30，这种技术路线下,GaN子层的厚度不能太厚，需要保持在10nm以下。这种技术路线生长的外延片的抗静电能力仍偏弱。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有抗静电能力的外延片及其在发光二极管中的应用，通过控制应力释放层中GaN子层的厚度在46~60nm，增加了LED外延层中的V型缺陷的密度和大小，降低器件在高电压冲击下的电流密度，减少了器件热击穿的概率，进而起到了提高抗静电能力的效果。
技术方案：本发明提供了一种具有高抗静电能力的外延片，包括衬底以及依次沉积在所述衬底上的缓冲层、N型掺杂GaN层、电子缓冲层、应力释放层、多量子阱层、电子阻挡层和P型GaN层，其中，所述应力释放层为InGaN子层与GaN子层交替生长的周期性结构；在所述周期性结构中，所述InGaN子层的厚度为1～2nm，所述GaN子层的厚度范围为46~60nm；在所述应力释放层和所述多量子阱层中具有密度为6×108cm-2 ~ 8×108cm-2的V型缺陷。
优选地，所述V型缺陷起始于所述应力释放层，并从所述应力释放层向所述多量子阱层方向延伸。
进一步地，所述V型缺陷是倒六面锥形，即俯视为类六边形，侧视剖视为类V型结构。
优选地，定义所述V型缺陷开口的中心点至所述类六边形顶点的距离为V型缺陷的开口半径r，所述V型缺陷的开口直径d为0.2μm~0.5μm，深度h为0.1μm~0.3μm。
优选地，定义所述类V型结构的底角α为V型缺陷的开口角度，所述开口角度为55°~75°。
优选地，在所述缓冲层与所述N型掺杂GaN层之间，还设有非掺杂GaN层；所述电子缓冲层为N型AlGaN电子缓冲层。
优选地，所述GaN子层的厚度范围为50nm~55nm。
优选地，所述周期性结构的周期为3~4。
优选地，所述衬底为蓝宝石衬底、蓝宝石与二氧化硅复合基衬底、硅基衬底或氮化镓基衬底。
本发明还提供了一种具有抗静电能力的外延片在发光二极管中的应用。
有益效果：本申请提供了一种具有抗静电能力的外延片，通过增加应力释放层中GaN子层的生长时间，维持GaN子层的厚度在46~60nm，增加了LED外延层中的V型缺陷的密度和大小，降低LED器件在高电压冲击下的电流密度，减少了器件热击穿的概率，进而起到了提高抗静电能力的效果。
在GaN子层低温生长时Ga原子的横向迁移能力较弱，从而容易引发穿透位错形成V型缺陷，如图3所示。随着低温生长层的生长时间增加，V型缺陷的大小随之逐渐增大。本发明通过增加应力释放层中GaN子层的生长时间，维持GaN子层厚度在46~60nm，增加了LED外延层中的V型缺陷的密度和大小，使得应力释放层中具有密度为6×108cm-2 ~ 8×108cm-2、尺寸较大的V型缺陷。在器件承受高电压冲击时，没有V型缺陷的表面有电流通道C1，V型缺陷的存在，增加了电流通道的表面积，而且由于其底部位于应力缓冲层，提供了额外的电流通道C2，使得电流能直接流入底层。相比于现有结构，有一定的V型缺陷的结构，高电压冲击时，由于V型缺陷导致电流通道的表面积增加，使得器件承受的电流密度减少，从而减少了器件热击穿的概率，进而起到了提高抗静电能力的效果。
附图说明
图1为现有技术中的外延片结构示意图；
图2 为本发明中具有抗静电能力的外延片的结构示意图；
图3为本发明中应力释放层的结构示意图；
图4为本发明中V型缺陷的立体结构示意图；
图5 为本发明中V型缺陷的俯视SEM图；
图6为本发明中V型缺陷及部分外延结构之侧视剖视SEM图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的介绍。
本实施方式提供了一种具有抗静电能力的外延片，如图2所示，包括Al2O3衬底以及依次沉积在衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型掺杂GaN层4、N型AlGaN电子缓冲层5、应力释放层6、多量子阱层7、电子阻挡层8和P型GaN层9，其中，如图3，应力释放层6为3~4个周期的InGaN子层61与GaN子层62交替生长的周期性结构，其中，InGaN子层61的厚度为1～2nm，GaN子层62的厚度是InGaN子层61厚度的23~30倍；具体的GaN子层62的厚度范围为46~60nm，优选GaN子层62的厚度范围为50~55nm；在应力释放层6中具有密度为6×108cm-2 ~ 8×108cm-2的V型缺陷。参看附图4至6，该V型缺陷为类似倒六面锥形，具体地，该V型缺陷俯视为类六边形，侧视剖视为类V型结构。定义V型缺陷开口的中心点至类六边形顶点的距离为V型缺陷的开口半径r（如图5所示，该半径r为0.114μm），定义类V型结构的底角α为V型缺陷的开口角度。如图6所示的V型缺陷剖视侧视SEM图显示，该V型缺陷起始于应力释放层6，并从应力释放层6向多量子阱层7方向延伸。该V型缺陷的开口直径d为243.3nm，深度h为203.6nm，开口角度为61.2°。
分别制得样品1、样品2和样品3。其中样品1为应力缓冲层6中GaN子层62的厚度在30nm以下、V型缺陷较少的结构。样品2和样品3为应力缓冲层6中GaN子层62的厚度在46nm以上、V型缺陷加大的结构。样品1、样品2和样品3均采用标准LED正装芯片工艺制作成100μmx150μm尺寸的发光二极管，使用点测设备在相同的条件下进行电性能测试对比。其中测试工作电压和发光亮度使用的检测电流为15mA。测试结果如下表1：
表1：不同应力缓冲层GaN子层厚度的发光二极管的电性参数比较
| 检测项 | 负4000V ESD良率 | 工作电压（V） | 发光亮度（mW） |
| 样品1（32nm） | 72.18% | 3.265 | 4.21 |
| 样品2（48nm） | 96.97% | 3.250 | 4.34 |
| 样品3（52nm） | 98.67% | 3.230 | 4.32 |
从表1中可以看出，样品2和样品3制备得到的芯片ESD良率更高。同时，工作电压和发光亮度也较高。这是因为合适的应力缓冲层6中GaN子层62的厚度，得到了合适的V型缺陷大小和密度。V型缺陷的存在提供了额外的电流通道。相比于正常的V型缺陷较少的结构，有一定的V型缺陷的结构，高电压冲击时承受的电流密度减少。从而减少了器件热击穿的概率，进而起到了提高抗静电能力的效果。另外，因为V型缺陷提供的额外传输通道，有利于P型层的空穴向多量子阱发光层传输，有效降低了电压，提高了空穴电子辐射符合效率，从而提高了发光亮度。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有抗静电能力的外延片，包括衬底（1）以及依次沉积在所述衬底（1）上的缓冲层（2）、N型掺杂GaN层（4）、电子缓冲层（5）、应力释放层（6）、多量子阱层（7）、电子阻挡层（8）和P型GaN层（9），其中，所述应力释放层（6）为InGaN子层（61）与GaN子层（62）交替生长的周期性结构；其特征在于，在所述周期性结构中，所述InGaN子层（61）的厚度为1～2nm，所述GaN子层（62）的厚度范围为46~60nm；在所述应力释放层（6）和所述多量子阱层（7）中具有密度为6×108cm-2 ~ 8×108cm-2的V型缺陷。
2.根据权利要求1所述的具有抗静电能力的外延片，其特征在于，所述V型缺陷起始于所述应力释放层（6），并从所述应力释放层（6）向所述多量子阱层（7）方向延伸。
3.根据权利要求1所述的具有抗静电能力的外延片，其特征在于，所述V型缺陷是倒六面锥形，即俯视为类六边形，侧视剖视为类V型结构。
4.根据权利要求3所述的具有抗静电能力的外延片，其特征在于，定义所述V型缺陷开口的中心点至所述类六边形顶点的距离为V型缺陷的开口半径r，所述V型缺陷的开口直径d为0.2μm~0.5μm，深度h为0.1μm~0.3μm。
5.根据权利要求3所述的具有抗静电能力的外延片，其特征在于，定义所述类V型结构的底角α为V型缺陷的开口角度，所述开口角度为55°~75°。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的具有抗静电能力的外延片，其特征在于，在所述缓冲层（2）与所述N型掺杂GaN层（4）之间，还设有非掺杂GaN层（3）；
所述电子缓冲层（5）为N型AlGaN电子缓冲层。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的具有抗静电能力的外延片，其特征在于，所述GaN子层（62）的厚度范围为50nm~55nm。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的具有抗静电能力的外延片，其特征在于，所述周期性结构的周期为3~4。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的具有抗静电能力的外延片，其特征在于，所述衬底（1）为蓝宝石衬底、蓝宝石与二氧化硅复合基衬底、硅基衬底或氮化镓基衬底。
10.一种如权利要求1至9中任一项所述的具有抗静电能力的外延片在发光二极管中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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