具有较高静电击穿电压的GaN基LED制造技术

技术编号:6150055 阅读:362 留言:0更新日期:2012-04-11 18:40
本实用新型专利技术提供了一种具有较高静电击穿电压的GaN基LED,其结构自下至上依次包括SiC或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQW层和P型GaN层,N型GaN层中设有一层厚度为20nm-100nm的AlGaN插入层。本实用新型专利技术是通过改变衬底材料和LED的生长结构,在SiC、Si衬底上直接在生长N型GaN层时插入一层AlGaN,从根本上增强发光二极管芯片的抗击穿电压,由于NGaN层本身较厚,插入AlGaN层时只需要引入TMA1,生长非常容易实现,反向抗静电能力由普通结构的500V-1000V提高到了2000V-4000V,反向击穿电压由原来的15V提高到30V,亮度由50-80mcd提高到了80-100mcd。(*该技术在2020年保护过期,可自由使用*)

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种具有较高静电击穿电压的GaN基LED (发光二极管),属于光 电子

技术介绍
以GaN为代表的三族氮化物(AlN、GaN、InN、AlGaInN)由于具有优良的光电特性, 因而在蓝光、绿光、紫外发光二极管(LED)及高频、高温大功率电子器件中得到广泛应用。 由于缺乏晶格匹配的衬底,三族氮化物都是异质外延在其他材料上,常用的衬底有蓝宝石、 SiC(碳化硅)、Si (硅)、砷化镓、氧化锌等,常用的外延方法有金属有机物化学气相沉积 (MOCVD)、分子束外延(MBE)和氢化物气相外延(HVPE)等。而SiC(碳化硅)是宽带隙半导体材料,与Si相比,它在应用中具有诸多优势。由 于具有较宽的带隙,SiC器件的工作温度可高达600°C,SiC的热导率为4. 5ff/cmK, Si的热 导率为1. 5ff/cmK,蓝宝石的热导率为0. 5W/cmK。由上看出,SiC和Si的热导率相对于蓝宝 石优秀,尤其在大功率器件上,SiC和Si有更加广阔的前景。SiC器件的高温工作能力降低 了对系统热预算的要求。此外,SiC器件还具有较高的热导率、高击穿电场强度、高饱和漂 移速率、高热稳定性和化学惰性,其击穿电场强度比同类Si器件要高。综合比较看,与蓝宝 石衬底相比,SiC与Si衬底生长的LED材料,导热性能优秀。目前生产的GaN基发光二极管中蓝色、绿色、蓝绿色二极管,都采用蓝宝石衬底, 使用MOCVD技术生产的芯片。此种芯片的特点是亮度好、技术相对成熟,专利纠纷或冲突 相对较少。所以,世界上多数芯片厂家(包括中国台湾、韩国、日本大多数厂商)采用此种 技术生产蓝、绿光芯片(只有美国CREE除外,采用SiC衬底)。此种芯片的缺点是抗静电能 力较差,若受静电冲击,会导致Vf (正向压降)升高,亮度降低以致死灯现象,所以如何防止 静电,是蓝、绿发光二极管生产及使用中最主要的问题。以PN结结构为主的LED,在制造、筛选、测试、包装、储运及安装使用等环节,难免 不受静电感应影响而产生感应电荷。若得不到及时释放,LED的两个电极上形成的较高电 压将直接加上LED芯片的PN结两端。当电压超过LED的最大承受值后,静电电荷将以极短 的瞬间(纳秒级别)在LED芯片的两个电极之间进行放电,功率焦耳的热量将使得LED芯 片内部的导电层、PN发光层的局部形成高温,高温将会把这些层熔融成小孔,从而造成漏电 以及短路的现象。静电击伤的表现芯片受到静电击伤,在其表面会形成黑色斑点,此黑色斑点将不 会再发光,所以,芯片受到击伤的程度不同,其表现也不同。轻微的击伤,也许表面上看不出 来,但亮度会少量降低,亮度会衰减,IR值(反向电流)升高;中度击伤的芯片,其管压降会 明显升高(可能会升高至4. OV 5. 5V以上),亮度明显降低(原正常亮度的50%以下), IR升高,严重影响寿命,在使用过程中会逐渐失去功能,最后也可能造成死灯。所以,目前的 蓝,绿发光二极管在生产及使用的过程中,一定要做好防静电措施,并定期检查接地电阻, 这样,才可以大幅度避免死灯现象。LED芯片的GaN材料为宽禁带材料,电阻率较高,并且使用蓝宝石作为衬底,该衬 底材料不导电,该类芯片在生产过程中因静电产生的感生电荷不易消失,累积到相当的程 度,可以产生很高的静电电压。当超过材料的承受能力时,会发生击穿现象并放电。蓝宝 石衬底的蓝色芯片其正负电极均位于芯片上面,间距很小;对于InGaN/GaN多量子阱结构, InGaN有源层仅几十纳米,对静电的承受能力很小,极易被静电击穿,使器件失效。GaN基 LED和传统的LED相比,抗静电能力差是其鲜明的缺点,静电导致的失效问题已成为影响产 品合格率和使用推广的一个非常棘手的问题。蓝,绿发光管目前抗静电能力水平抗静电能力只有50V左右,反向静电500V以上 将会立即导致死掉。正向静电在1500V以上也会立即导致严重损伤,而在北方冬天,人体的 静电大约在1000V-1500V左右,所以,人体直接接触二极管是导致二极管损伤的主要原因。 在任何生产,使用二极管的过程中,均要严格禁止人体在无防静电措施直接接触二极管。在目前的防护措施中,二极管生产均采用正品二极管芯片,在严格的生产条件下 (无尘,所有工序防静电)生产二极管,生产标准(IR漏电标准)严格控制在5V,10 μ A的标 准,行业标准5V,50 μ Α”在生产、检测、包装的全过程中,全部实现自动化,完全避免了人为 因数影响,确保产品品质。但是这些都只能从外观和防护方面做文章,不能解决实质性的问 题。现有蓝宝石衬底GaN基发光二极管的结构如图1所示,自下至上包括蓝宝石衬 底5、AlN缓冲层4、N型GaN层3、MQW(多量子阱)层2和P型GaN层1。中国专利文献 CN101359710A公开了《一种绿光发光二极管的制造方法》,该方法是通过在生长InGaN和 GaN的MQW (量子阱)中加入InAlGaN的插入层,减小InGaN和GaN之间的V性缺陷,减少In 组分的析出,获得高亮度的、抗静电能力强的绿色LED。此技术的优点是通过插入层的增加, 亮度从IOOmcd增加到250mcd,静电击穿电压从500V增加到4000V。但是此工艺使用的衬 底为蓝宝石。要在MQW层中插入InAlGaN、AlGaN、InGaN或InAlN层,该层厚度为0. l_5nm, MQW层本身较薄,生长工艺上同时控制Al和In生长,要在生长时引入操作非常困难,很有可 能破坏MQW,导致不发光。
技术实现思路
本技术针对现有蓝宝石衬底GaN发光二极管的静电击穿电压提高技术存在 的不足,提供一种制备工艺简单、易于实现的具有较高静电击穿电压的GaN基LED。本技术的具有较高静电击穿电压的GaN基LED,其结构自下至上依次包括SiC 或Si衬底、AlN缓冲层、N型GaN层、MQff (多量子阱)层和P型GaN层,N型GaN层中设有 一层厚度为20nm-100nm的AlGaN插入层。上述以SiC或者Si作为衬底生长GaN基LED的结构是在N型GaN层中插入一层 AlGaN来提高静电击穿电压。在异质结界面处由于极化效应导致界面处有正的束缚电荷,这 一 AlGaN层束缚电荷会诱导形成一个二维电子气。该二维电子气横向导电能力强,利于电 流扩展;当脉冲电流加在LED时,通过二维电子气把电流均勻扩展,避免局部电流过高,减 小反向脉冲对LED的破坏。本技术是通过改变衬底材料和LED的生长结构,在SiC、Si衬底上直接在生长 N型GaN层时插入一层AlGaN,从根本上增强发光二极管芯片的抗击穿电压,由于NGaN层本4身较厚,插入AlGaN层时只需要引入TMAl (三甲基铝),生长非常容易实现,反向抗静电能 力由普通结构的500V-1000V提高到了 2000V-4000V。反向击穿电压由原来的15V提高到 30V。亮度由50-80mcd提高到了 80_100mcd,168小时老化衰减也由原来的20% -30%提高 到了 5% -10%。附图说明图1是现有蓝宝石衬底GaN基发光二极管的结构示意图。图2是本技术具有较高静电击穿电压的GaN基LED的结构示意图。图中1、P型GaN层,2、MQW(多量子阱)层,3、N本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:吴德华朱学亮曲爽李树强徐现刚
申请(专利权)人:山东华光光电子有限公司
类型:实用新型
国别省市:88

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