[发明专利]一种发光二极管及其缓冲层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于发光二极管元件领域，涉及一种发光二极管，对缓冲层结构进行了改进，及其缓冲层的制备方法。 

背景技术

随着近年来全球绿色环保、节能安全意识的不断提高，各类节能环保产品被广泛关注，其中发光二极管（LED）的推广应用备受重视。发光二极管是一种将电能转化为光能的发光器件，主要应用于照明、显示、指示、装饰领域。随着全世界节能环保意识的不断提高，发光二极管凭借其拥有“比节能灯还节电80%”的良好性能，近年来越来越多地被广泛运用，很多国家已经开始取代白炽灯。 

随着发光二极管的不断应用发展，目前如何克服其技术缺陷倍受关注，其中最主要的是在外延生长过程中磊晶层与衬底之间的晶格常数失配问题，导致发光二极管出光率低下及使用寿命远低于理论值。为此在外延生长的过程中，衬底及磊晶层材料、工艺的选择被列为重中之重，在衬底选取过程中，蓝宝石主要成分是氧化铝（Al2O3），属于三方晶系，具备对称形六方体结构，2050℃熔点，1900℃的工作温度，热稳定性很好，另外其机械强度高，易于处理和清洗，被大多数工艺选为磊晶衬底。但考虑蓝宝石衬底与GaN基晶格失配严重，先在衬底上生长一层缓冲层（又称晶核形成层）的技术被提出，于是，各种各样的缓冲层被研制出来，缓冲层的晶格常数与衬底之间必须相接近，以此才能提供成核位置，便于其他各层的生长，形成相同的晶体结构，提升发光二极管的结晶度。缓冲层生长制备过程中，其材料的选取，制备工艺的筛选，直接影响后续各层的质量，对发光二极管的出光率及使用寿命起决定性作用。 

发明内容

为解决氮化镓系与蓝宝石衬底之间晶格匹配不佳问题，减少缺陷密度，本发明的发明人通过在现有技术基础上，对缓冲层经过无数次改进试验后发现，当在外延磊晶时缓冲层以In_xGa_1-xN结构取代低温GaN,其在生长过程中如果里面的组成成分处于梯度渐变时，其能使缓冲层与衬底之间、缓冲层内部、缓冲层与N型半导体层之间进行很好的衔接，解决他们之间的晶格失配问题，减少他们之间因晶格匹配度问题所致的缺陷。 

本发明的缓冲层由In_xGa_1-xN组成，其中In、Ga的含量在缓冲层生长过程中呈梯度变化，沿蓝宝石衬底往上x为递减，即在缓冲层中In的含量从下至上递减，Ga的含量从下至上递增，0≤x≤1。通过氮化铟镓组分渐变的过程，将晶格大小由蓝宝石过度至氮化镓，减少蓝宝石衬底与氮化镓材料晶格失配的问题。但在氮化铟镓生长过程中由于氮化镓与氮化铟晶格失配度达到10%，铟原子半径大于镓的原子半径，铟的元素蒸汽压比镓高，铟原子键能较低，易挥发，等等，使得氮化铟镓在生长过程中面临诸多问题，铟原子很难引入，要使铟、镓原子能梯度分布难上加难。为解决这系列问题，本发明的发明人在缓冲层生长过程中控制其生长温度以450℃-800℃之间为主，优选500℃-600℃之间，反应腔体压力为50-760torr之间，优选300-450torr之间，利用氮气作为主要载气，氨气作为反应气体，三甲基镓（TMGa）和三甲基铟（TMIn）生长In_xGa_1-xN缓冲层，当缓冲层生长至其总厚度?时，生长温度开始持续升高，直至900-1100℃，优选1100℃，载气由氮气转化为氢气，缓冲层中IN的含量逐渐降为0，缓冲层以GaN为收尾。停止通入反应气体一段时间，使缓冲层表面过剩的In挥发，保证缓冲层中In梯度变化。缓冲层厚度控制在100?至1000?之间，优选200?至400?之间，更优选为300?。 

本发明制备铟、镓组份梯度变化的In_xGa_1-xN缓冲层的方法如下： 

第一步，在生长前，调节TMIn的流量在（300±10%）cc.mole/min， TMGa的流量为0mol/min。反应温度调节至450℃-800℃之间，腔体压力为50-760torr之间。选择氮气为载气，氨气为反应气体。

第二步，保持反应温度、压力等反应条件不变，使TMIn的流量不变，开始通入TMGa，其流量由0mol/min匀速增加，待缓冲层生长至其总厚度1/4时，TMGa流量至（300±10%）cc.mole/min。 

第三步，保持反应温度、压力等反应条件不变，控制TMIn的流量匀速降低,待缓冲层生长至其总厚度3/4时，TMIn的流量至原流量的1/4。TMGa的流量保持不变。