一種發(fā)光二極管及其緩沖層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管及其緩沖層的制備方法,所述發(fā)光二極管包括：藍寶石襯底，依次形成于藍寶石襯底上的緩沖層、N型半導(dǎo)體層、有源發(fā)光層、P型半導(dǎo)體層，所述的緩沖層材料為InxGa1-xN，在整個外延緩沖層生長過程中，緩沖層中In、Ga的含量處于梯度變化的過程，x是不斷變化的過程，x從開始的1到緩沖層生長結(jié)束時為0，即緩沖層中In的量是不斷遞減的過程，Ga的量是不斷遞增的過程。
【專利說明】一種發(fā)光二極管及其緩沖層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于發(fā)光二極管元件領(lǐng)域，涉及一種發(fā)光二極管，對緩沖層結(jié)構(gòu)進行了改進，及其緩沖層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著近年來全球綠色環(huán)保、節(jié)能安全意識的不斷提高，各類節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品被廣泛關(guān)注，其中發(fā)光二極管(LED)的推廣應(yīng)用備受重視。發(fā)光二極管是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光器件，主要應(yīng)用于照明、顯示、指示、裝飾領(lǐng)域。隨著全世界節(jié)能環(huán)保意識的不斷提高，發(fā)光二極管憑借其擁有“比節(jié)能燈還節(jié)電80%”的良好性能，近年來越來越多地被廣泛運用，很多國家已經(jīng)開始取代白熾燈。
[0003]隨著發(fā)光二極管的不斷應(yīng)用發(fā)展，目前如何克服其技術(shù)缺陷倍受關(guān)注，其中最主要的是在外延生長過程中磊晶層與襯底之間的晶格常數(shù)失配問題，導(dǎo)致發(fā)光二極管出光率低下及使用壽命遠低于理論值。為此在外延生長的過程中，襯底及磊晶層材料、工藝的選擇被列為重中之重，在襯底選取過程中，藍寶石主要成分是氧化鋁(A1203)，屬于三方晶系，具備對稱形六方體結(jié)構(gòu)，2050°C熔點，19000C的工作溫度，熱穩(wěn)定性很好，另外其機械強度高，易于處理和清洗，被大多數(shù)工藝選為磊晶襯底。但考慮藍寶石襯底與GaN基晶格失配嚴重，先在襯底上生長一層緩沖層(又稱晶核形成層)的技術(shù)被提出，于是，各種各樣的緩沖層被研制出來，緩沖層的晶格常數(shù)與襯底之間必須相接近，以此才能提供成核位置，便于其他各層的生長，形成相同的晶體結(jié)構(gòu)，提升發(fā)光二極管的結(jié)晶度。緩沖層生長制備過程中，其材料的選取，制備工藝的篩選，直接影響后續(xù)各層的質(zhì)量，對發(fā)光二極管的出光率及使用壽命起決定性作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決氮化鎵系與藍寶石襯底之間晶格匹配不佳問題，減少缺陷密度，本發(fā)明的發(fā)明人通過在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，對緩沖層經(jīng)過無數(shù)次改進試驗后發(fā)現(xiàn)，當在外延磊晶時緩沖層以InxGahN結(jié)構(gòu)取代低溫GaN，其在生長過程中如果里面的組成成分處于梯度漸變時，其能使緩沖層與襯底之間、緩沖層內(nèi)部、緩沖層與N型半導(dǎo)體層之間進行很好的銜接，解決他們之間的晶格失配問題，減少他們之間因晶格匹配度問題所致的缺陷。
[0005]本發(fā)明的緩沖層由InxGahN組成，其中In、Ga的含量在緩沖層生長過程中呈梯度變化，沿藍寶石襯底往上X為遞減，即在緩沖層中In的含量從下至上遞減，Ga的含量從下至上遞增，O < X < I。通過氮化銦鎵組分漸變的過程，將晶格大小由藍寶石過度至氮化鎵，減少藍寶石襯底與氮化鎵材料晶格失配的問題。但在氮化銦鎵生長過程中由于氮化鎵與氮化銦晶格失配度達到10%，銦原子半徑大于鎵的原子半徑，銦的元素蒸汽壓比鎵高，銦原子鍵能較低，易揮發(fā)，等等，使得氮化銦鎵在生長過程中面臨諸多問題，銦原子很難引入，要使銦、鎵原子能梯度分布難上加難。為解決這系列問題，本發(fā)明的發(fā)明人在緩沖層生長過程中控制其生長溫度以450°C _800°C之間為主，優(yōu)選500°C _600°C之間，反應(yīng)腔體壓力為50-760torr之間，優(yōu)選300_450torr之間，利用氮氣作為主要載氣，氨氣作為反應(yīng)氣體，三甲基鎵(TMGa)和三甲基銦(TMIn)生長InxGapxN緩沖層，當緩沖層生長至其總厚度3A時，生長溫度開始持續(xù)升高，直至900-1100°C，優(yōu)選1100°C，載氣由氮氣轉(zhuǎn)化為氫氣，緩沖層中IN的含量逐漸降為O，緩沖層以GaN為收尾。停止通入反應(yīng)氣體一段時間，使緩沖層表面過剩的In揮發(fā)，保證緩沖層中In梯度變化。緩沖層厚度控制在IOOA至IOOOA之間，優(yōu)選200A至400A之間，更優(yōu)選為300A。
[0006]本發(fā)明制備銦、鎵組份梯度變化的InxGahN緩沖層的方法如下:
第一步，在生長前，調(diào)節(jié)TMIn的流量在(300± 10%)cc.mole/min, TMGa的流量為Omol/min。反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)至450°C _800°C之間，腔體壓力為50-760torr之間。選擇氮氣為載氣，氨氣為反應(yīng)氣體。
[0007]第二步，保持反應(yīng)溫度、壓力等反應(yīng)條件不變，使TMIn的流量不變，開始通入TMGa，其流量由Omol/min勻速增加，待緩沖層生長至其總厚度1/4時，TMGa流量至(300 + 10%) cc.mole/min。
[0008]第三步，保持反應(yīng)溫度、壓力等反應(yīng)條件不變，控制TMIn的流量勻速降低，待緩沖層生長至其總厚度3/4時，TMIn的流量至原流量的1/4。TMGa的流量保持不變。
[0009]第四步，保持其他反應(yīng)條件不變，勻速提高反應(yīng)溫度，控制其當緩沖層生長完成時至900-1100°C，同時此過程保持TMIn的流量在第一步、第二步中流量的1/4不變，TMGa的流量保持不變，載氣由氮氣轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃?，其變化速度是均勻的，控制在當緩沖層生長完成時，載氣完全轉(zhuǎn)變成氫氣。
[0010]第五步，緩沖層生長結(jié)束，保持現(xiàn)有反應(yīng)條件不變，但停止通入TMIn、TMGa，使緩沖層表面過剩的In揮發(fā)，保證緩沖層中In梯度變化。
[0011]緩沖層反應(yīng)生長過程中TMIn的流量、TMGa的流量、生長溫度變化曲線示意圖見附圖 1-3。
[0012]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]本發(fā)明中附圖僅為了對本發(fā)明進一步解釋，不得作為本發(fā)明發(fā)明范圍的限制。
[0014]附圖1緩沖層生長反應(yīng)溫度曲線示意圖 附圖2緩沖層生長TMIn流量曲線示意圖 附圖3緩沖層生長TMGa流量曲線示意圖
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明的實施例僅為對本發(fā)明進行解釋，便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能根據(jù)本
【發(fā)明內(nèi)容】
能實施本發(fā)明，不得作為本發(fā)明發(fā)明范圍的限制。
[0016]實施例1
在藍寶石襯底上生長厚度為400A的銦、鎵組份梯度變化的InxGahN緩沖層，在外延生長前，調(diào)節(jié)溫度為550°C，壓力為400torr，以氮氣為載源氣體，氨氣為反應(yīng)氣體，調(diào)節(jié)TMIn流量為300cc.mole/min，保持反應(yīng)溫度、壓力等反應(yīng)條件不變，控制TMIn的流量不變，開始通入TMGa,其流量由Occ.mole/min開始勻速增加,控制緩沖層生長至緩沖層總厚度1/4時,TMGa的流量達到300 cc.mole/min,此時開始降低TMIn的流量勻速降低，當緩沖層生長至其總厚度3/4時，TMIn的流量降至原流量的1/4，過程中TMGa的流量保持300 cc.mole/min不變，維持TMIn、TMGa此時的流量，在緩沖層總厚度最后1/4的過程中，勻速提高反應(yīng)溫度控制緩沖層生長結(jié)束時溫度至1100°C，緩沖層總厚度最后1/4的過程中，載氣由氮氣勻速轉(zhuǎn)變成氫氣，控制緩沖層生長結(jié)束時載氣只有氫氣。緩沖層生長結(jié)束后保持溫度為1100°C，壓力為400torr，停止通入TMIn、TMGa，使緩沖層表面過剩的In揮發(fā)。
[0017]實施例2
在藍寶石襯底上生長厚度為250A的銦、鎵組份梯度變化的InxGahN緩沖層，在外延生長前，調(diào)節(jié)溫度為580°C，壓力為350torr，以氮氣為載源氣體，氨氣為反應(yīng)氣體，調(diào)節(jié)TMIn流量為310CC.mole/min，保持反應(yīng)溫度、壓力等反應(yīng)條件不變，控制TMIn的流量不變，開始通入TMGa,其流量由Occ.mole/min開始勻速增加,控制緩沖層生長至緩沖層總厚度1/4時,TMGa的流量達到295 cc.mole/min,此時開始降低TMIn的流量勻速降低，當緩沖層生長至其總厚度3/4時，TMIn的流量降至原流量的1/4，過程中TMGa的流量保持295 cc.mole/min不變，維持TMIruTMGa此時的流量，在緩沖層總厚度最后1/4的過程中，勻速提高反應(yīng)溫度控制緩沖層生長結(jié)束時溫度至980°C，緩沖層總厚度最后1/4的過程中，載氣由氮氣勻速轉(zhuǎn)變成氫氣，控制緩沖層生長結(jié)束時載氣只有氫氣。緩沖層生長結(jié)束后保持溫度為980°C，壓力為350torr，停止通入TMIn、TMGa，使緩沖層表面過剩的In揮發(fā)。
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光二極管，其依次包括藍寶石襯底、緩沖層、N型半導(dǎo)體層、有源發(fā)光層、P型半導(dǎo)體層，其特征在于緩沖層為InxGai_xN，沿藍寶石襯底往上X為遞減，即在緩沖層中In的含量從下至上遞減，Ga的含量從下至上遞增，O < X < I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于該緩沖層的厚度在IOOA至IOOOA之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于該緩沖層的厚度在100A至1000A之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其特征在于該緩沖層的厚度為300A。
5.權(quán)利要求1-4各項所述的發(fā)光二極管的緩沖層的制備方法，其特征在于MOCVD反應(yīng)室中生長緩沖層的壓力為50-760torr，載源氣體為氮氣，反應(yīng)氣體為氨氣，開始時溫度控制在450°C至800°C之間,TMIn的流量控制在300± 10%cc.mole/min，TMGa的流量由Occ.mole/min開始勻速增加,直至緩沖層生長至緩沖層總厚度的1/4時，TMGa的流量達到300± 10%cc.mole/min,并維持此流量,開始勻速降低TMIn的流量,至緩沖層生長至緩沖層總厚度的3/4時，TMIn的流量降低至原流量的1/4，維持此流量，同時TMGa的流量仍然不變，其生長溫度開始勻速升高，載氣由氮氣勻速轉(zhuǎn)變成氫氣，當緩沖層生長結(jié)束時其溫度為900-1100°C，載氣完全為氫氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述制備方法，其特征在于MOCVD反應(yīng)室中生長緩沖層的壓力為300-450torr,開始時溫度控制在500°C至600°C之間，載源氣體為氮氣，當生長至緩沖層總厚度的3/4時，其生長溫度開始勻速升溫，載氣由氮氣勻速轉(zhuǎn)變成氫氣，當緩沖層生長結(jié)束時其溫度為1000-1100°C，載氣為氫氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于開始時其在MOCVD反應(yīng)室中生長緩沖層的溫度控制在550°C，當生長至緩沖層總厚度的3/4時，其生長溫度開始勻速升溫，當緩沖層生長結(jié)束時其溫度為1100°C。
【文檔編號】H01L33/32GK103700743SQ201210366990
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】林桂榮, 莊文榮, 孫明, 顏建鋒, 敖輝 申請人:江蘇漢萊科技有限公司