CN108258091A - 一种发光二极管波长控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种发光二极管波长控制方法，包括以下步骤：对沉积量子阱结构时设定一预设温度，该预设温度为载片盘表面预设温度并对应一标准温度，该标准温度为衬底表面标准温度；获取沉积量子阱结构时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度；根据获取的衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值对预设温度进行修正，得一修正温度；输出所述修正温度使载片盘表面实际温度等于修正温度。本发明利用探测到的衬底表面温度对载片盘表面温度进行修正，在量产过程中即使前后批次衬底翘曲不同，也能保持发光二极管波长的一致性，提高了产品良率。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术领域，具体涉及一种发光二极管波长控制方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，LED)由于具有寿命长、耗能低等优点，广泛应用于各种领域。尤其随着发光二极管照明性能指标的大幅度提高，发光二极管常用于发光装置。其中，以氮化镓(GaN)为代表的III-V族化合物半导体由于具有带隙宽、发光功率高、电子饱和漂移速度高、化学性质稳定等特点，在高亮度蓝光发光二极管、蓝光激光器等光电器件等领域有着巨大的应用潜力，引起了人们的广泛关注。
氮化镓(GaN)发光二极管的基本结构包括N型氮化镓层(电子提供层)和P型氮化镓层(空穴提供层)构成的PN结。发光效率和发光波长是发光二极管的重要性质。为了增加发光二极管的发光效率并控制发光波长，量子阱结构被引入发光二极管中，即在电子提供层和空穴提供层之间形成一层量子阱结构。
量子阱结构是由两种不同材料薄层相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的量子阱，这两种不同材料薄层分别为垒层和阱层。发光层(量子阱结构)能够有效提高发光二极管的发光效率，并可以形成波长可调的二极管。
在通过MOCVD(Metal- Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机物化学气相沉积)设备/工艺进行LED外延片制备时利用在衬底材料上沉积GaN实现异质外延。由于异质外延衬底和GaN之间的晶格失配以及热形变差产生的应力会使外延片发生翘曲现象，翘曲使得在后续生长发光层时，外延片中心位置比边缘更靠近或紧挨石墨盘的表面，从而使中心部分温度高于边缘部分，最终导致生长发光层后的外延片中心部分的发光波长要比边缘部分短。
工业化量产过程中，保持不同批次间产品性能指标的前后一致性是业界长期追求的目标。在连续生产时，衬底材料、沉积时工艺条件的波动，都会使得不同批次间(具体表现为不同炉次间)外延片发生不同程度的翘曲，翘曲的变化导致在通过温度对波长进行控制时难以保持前后批次间波长的一致性，同时不同的翘曲使得外延片受热温度不同，而温度会对外延结晶质量产生重要影响，最后得到的外延片结晶质量一致性、均匀性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种发光二极管波长控制方法，能够有效的改善不同批次间LED发光波长的一致性，提高产品良率。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种发光二极管波长控制方法，包括以下步骤：
对沉积量子阱结构时设定一预设温度，该预设温度为载片盘表面预设温度并对应一标准温度，该标准温度为衬底表面标准温度；
获取沉积量子阱结构时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度；
根据获取的衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值对预设温度进行修正，得一修正温度；
输出所述修正温度使载片盘表面实际温度等于修正温度。
可选的，所述量子阱结构包括高温量子阱结构和低温量子阱结构，所述高温量子阱结构位于N型GaN层一侧，所述低温量子阱结构位于P型GaN层一侧，低温量子阱结构沉积在高温量子阱结构上；所述预设温度包括沉积量子阱层时的阱层预设温度和/或沉积量子垒层时的垒层预设温度，所述修正温度包括沉积量子阱层时的阱层修正温度和/或沉积量子垒层时的垒层修正温度，所述高温量子阱结构中阱层预设温度、垒层预设温度至少其中之一大于所述低温量子阱结构中阱层预设温度、垒层预设温度。
可选的，所述高温量子阱结构中阱层预设温度、垒层预设温度至少其中之一大于所述低温量子阱结构中阱层预设温度、垒层预设温度5～30℃。
可选的，获取沉积量子阱结构时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度为所述高温量子阱结构的载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度。
可选的，获取沉积量子阱结构时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度为直接与N型GaN层接触的高温量子阱结构的载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度。
可选的，所述修正温度为所述低温量子阱结构中的阱层修正温度和/或低温量子阱结构中的垒层修正温度。
可选的，所述修正温度大于或小于预设温度0～20℃。
可选的，所述阱层修正温度与所述阱层预设温度差值为所述衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值幅度的1/4～1。
可选的，所述垒层修正温度与所述垒层预设温度差值为所述衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值幅度的1/2～2。
可选的，所述阱层修正温度与所述阱层预设温度差值为所述垒层修正温度与所述垒层预设温度差值的1/4～1/2。
本发明的有益效果是：本发明通过载片盘表面温度来控制制备发光二极管时的温度，利用探测到的衬底表面温度对载片盘表面温度进行修正，在量产过程中即使前后批次衬底翘曲不同，也能保持发光二极管波长的一致性，相比与通过衬底表面温度来控制制备发光二极管时的温度，得到的外延片片内均匀性更好；本发明提供的方法简单易用，可以通过人工进行控制也可以通过软件的设定来实现，无需额外的辅助设备，提高了产品良率。
附图说明
图1为衬底置于载片盘的俯视图；
图2为衬底置于载片盘凹槽中的剖面图；
图3为用于制造发光二极管的MOCVD设备腔体示意简图；
图4为本发明温度控制原理图；
图5为衬底在载片盘凹槽中发生翘曲时的剖面图；
图6为本发明提供的发光二极管制备方法流程图；
图7为与图6流程图对应的发光二极管结构示意图；
图8为本发明提供的发光二极管另一种实施方式结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明提供的一种发光二极管波长控制方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1-图3，在通过MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化学气相沉积)设备制造LED时，先将衬底110置于载片盘108上均匀分布的凹槽109中，凹槽109深度略高于衬底110厚度，优选在凹槽109底部靠近边缘设置环形状或间隔分布的凸起115，利用凸起115避免衬底110与凹槽109底部直接接触，使载片盘108升温过程中衬底110受热更为均匀，衬底110尺寸可以为二寸、四寸或六寸，载片盘108选用耐高温材质制成，如石墨材质。然后将装有衬底110的载片盘108传输至反应腔室104中，反应腔室104由上盖101、侧壁102和底座103形成的封闭结构，上盖101、侧壁102和底座103可以选用不锈钢材质，上盖101上均匀分布有连通的进气管105，反应气体、载气(NH3、N2、H2等)和MO源(三甲基镓、三乙基镓、三甲基铝、三甲基铟、二茂镁等)通过进气管105进入反应腔室104中，底座103上位于载片盘108下方设置加热模块107，加热模块107选用加热丝或者射频加热，通过加热模块107对载片盘108及反应腔室104加热，载片盘108背面位于中心位置设置凹陷的中心槽112，转轴111通过铁磁流体密封件穿过底座103，转轴111位于反应腔室104内一端与中心槽112接触将载片盘108顶起使载片盘108与加热模块107产生一间隙，转轴111位于反应腔室104外一端与驱动装置连接(图3中省略)，所述驱动装置通过转轴111带动载片盘108在反应腔室104中转动并通过控制器控制载片盘108转速，底座103四周沿圆周方向间隔设置排气孔106，通过进气管105进入反应腔室104中的反应气体、载气和MO源在载片盘108上方形成气流并反应进而沉积在衬底110上，通过排气孔106排出反应腔室104，沉积过程中通过控制反应腔室104压力和载片盘108表面温度。
本设备通过PID控制实现对反应腔室104压力和载片盘108表面温度的精确控制。
具体的，在反应腔室104的上盖101上设置温度探测模块113，温度探测模块113位于衬底110正上方，由于沉积过程中载片盘108转动，温度探测模块113可同时实现对载片盘108表面温度和衬底110表面温度的探测，温度探测模块113选用具有发射率校正功能的辐射高温计，即把辐射高温计与反射率计组合使用，在测量载片盘108表面温度和衬底110表面温度的同时，用同样波长的激光(如930nm)测量载片盘108的反射率和衬底110的反射率，由反射率计算出发射率，最后使用普朗克公式计算出载片盘108表面温度和衬底110表面温度。
请参考图4，温度探测模块113与温控器116连接，温控器116与加热模块107连接，温度探测模块113将探测到的载片盘108表面温度反馈至温控器116，温控器116根据温度探测模块113反馈的温度与预设温度进行对比并控制加热模块107的输出功率，从而使载片盘108表面温度等于预设温度。
请参考图2、图5，当衬底110在凹槽109中未发生翘曲时，衬底110下表面与凹槽109底部保持一固定距离，在载片盘108表面温度一定时，衬底110表面温度与载片盘108表面温度保持一固定温差；当衬底110在凹槽109中发生翘曲时，衬底110下表面与凹槽109底部距离变小，衬底110表面温度与载片盘108表面温度温差随之变小，并且随着翘曲程度的加深，两者的温差进一步缩小，直至衬底110下表面与凹槽109底部发生接触(通常情况，为保持工艺稳定，在设计载片盘108时使凸起115具有足够的高度以避免接触情况的发生)。工业化连续量产时，衬底110厚度、沉积速率的波动都会导致沉积过程中翘曲的不同，即使载片盘108表面温度保持不变，也难以保证衬底110表面温度前后一致性，进而不能实现对前后批次发光二极管波长的精确控制。
实际中，可以直接通过温控器116控制衬底110表面温度，即温度探测模块113将探测到的衬底110表面温度反馈至温控器116，温控器116根据温度探测模块113反馈的温度与预设温度进行对比并控制加热模块107的输出功率，使衬底110表面温度表面温度等于预设温度。在这种控温模式下，由于温度探测模块113是在载片盘108转动情况下探测到的衬底110表面温度，只能保证衬底110沿某一圆周线上温度的不变(图1中，当温度探测模块113安装在衬底110圆心正上方时，探测到的温度为穿过衬底110圆心的中心线117表面温度；当温度探测模块113安装在衬底110偏离圆心正上方时，探测到的温度为偏离衬底110圆心的偏心线118表面温度，)，当衬底110翘曲不同时，并不能保证衬底110表面整体温度的一致性，得到的外延片波长片内均匀性差，同时前后批次波长一致性也难以保证。
本发明的核心思想在于提供一种发光二极管波长控制方法，利用探测到的衬底110表面温度对载片盘108表面温度进行修正，进而使衬底110表面温度保持前后一致，不因翘曲的不同而产生差异，实现对发光二极管波长的精确控制。
具体的，在开始沉积量子阱结构时先对载片盘108设定一预设温度，利用温度探测模块113探测载片盘108表面实际温度和衬底110表面实际温度，将探测到的载片盘108表面实际温度反馈至温控器116，温控器116根据探测到的载片盘108表面实际温度与所述预设温度进行对比并通过调整加热模块107的输出功率来使载片盘108表面实际温度等于所述预设温度。理想情况下衬底110未发生翘曲时，在载片盘108表面实际温度等于所述预设温度的情况下，衬底110表面温度对应一标准温度；实际情况中当衬底110发生翘曲时，衬底110下表面与凹槽109底部距离变小，温度升高，温度探测模块113探测到的衬底110表面实际温度高于所述标准温度，即衬底110表面实际温度与所述标准温度产生一温差且该温差随不同批次衬底110翘曲的不同而波动，当衬底110翘曲变大时，该温差随之变大，然后利用该温差对预设温度进行修正，得一修正温度，从而使载片盘108表面实际温度等于修正温度，避免了因衬底110翘曲的不同导致不同批次间衬底110表面温度的差异，使制得的发光二极管波长前后批次具有很好的一致性。与直接通过控制衬底表面温度相比，得到的发光二极管波长具有更好的片内均匀性。
以下结合发光二极管制备流程图及其结构图进一步详述本发明提供的发光二极管波长控制方法，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
请参考图6、图7，首先，进行步骤S1，提供一衬底110并置于载片盘108上。所述衬底110的材料可以为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底，衬底110尺寸为二寸、四寸或六寸。
然后，进行步骤S2，在所述衬底110上沉积缓冲层210。所述缓冲层210的材料为GaN、AlN或AlGaN，形成所述缓冲层210时载片盘108转速为400～800rpm，反应腔室104压力300～600Torr，载片盘108表面温度为450℃～650℃，厚度为15nm～50nm。
接着，进行步骤S3，在所述缓冲层210上沉积N型GaN层310。形成所述N型GaN层310时载片盘108转速为1000～1300rpm，反应腔室104压力100～600Torr，载片盘108表面温度为700℃～1200℃，厚度为1.5um～4.5um，所述N型GaN层310的硅掺杂浓度为1e18cm-3～3e19cm-3。
实际生产中，在所述缓冲层210和所述N型GaN层310之间会沉积未掺杂GaN层。形成所述未掺杂GaN层载片盘108转速为1000～1300rpm，反应腔室104压力100～600Torr，载片盘108表面温度为900℃～1200℃，厚度为1.5um～4.5um。
接着，进行步骤S4，在所述型N型GaN层310上沉积量子阱结构410。所述量子阱结构410包括在所述N型GaN层310上依次层叠的量子阱层401和量子垒层402。
形成所述量子阱层401和量子垒层402时载片盘108转速为300～600rpm，反应腔室104压力100～300Torr，载片盘108表面温度为700℃～1000℃。
具体的，先对沉积量子阱结构410时设定一预设温度，该预设温度为载片盘108表面温度，在该预设温度下对应一标准温度，该标准温度为衬底110未发生翘曲时对应的衬底110表面标准温度；然后利用温度探测模块113探测沉积量子阱结构410时载片盘108表面实际温度和衬底110表面实际温度；温度探测模块113将探测到的沉积量子阱结构410时载片盘108表面实际温度反馈至温控器116，温控器116根据反馈的载片盘108表面实际温度调整加热模块107的输出功率使载片盘108表面实际温度等于所述预设温度；再根据温度探测模块113探测到的衬底110表面实际温度与标准温度的差值对预设温度进行修正，得一修正温度；最后温控器116根据所述修正温度使载片盘108表面实际温度等于修正温度。
请参考图8，作为优选，量子阱结构410包括高温量子阱结构411和低温量子阱结构421，高温量子阱结构411位于N型GaN层310一侧，低温量子阱结构421位于P型GaN层510一侧，低温量子阱结构421沉积在高温量子阱结构411上；所述预设温度包括沉积量子阱层401时的阱层预设温度和/或沉积量子垒层402时的垒层预设温度，所述修正温度包括沉积量子阱层401时的阱层修正温度和/或沉积量子垒层402时的垒层修正温度，高温量子阱结构411中阱层预设温度、垒层预设温度至少其中之一大于低温量子阱结构421中阱层预设温度、垒层预设温度。
将量子阱结构设置成高温量子阱结构和低温量子阱结构，高温量子阱结构中阱层预设温度大于低温量子阱结构中阱层预设温度可以在较高的温度下先沉积量子阱层，在不影响发光波长的前提下降低发光二极管半宽、增大小电流下电压，从而提高发光二极管内量子效率并改善电性参数；高温量子阱结构中垒层预设温度大于低温量子阱结构中垒层预设温度可以在较高的温度下先沉积量子垒层，改善量子垒层结晶质量，提高发光二极管的抗静电性能。在通过本发明提供的方法控制发光二极管波长时，可以单独对沉积量子阱层时的温度进行修正，也可以单独或同时对沉积量子垒层时的温度进行修正，对量子阱层的温度进行修正有利于改善发光二极管前后批次波长一致性，对量子垒层的温度进行修正有利于提高发光二极管前后批次结晶质量的一致性。作为最佳优选，高温量子阱结构411中阱层预设温度、垒层预设温度至少其中之一大于低温量子阱结构421中阱层预设温度、垒层预设温度5～30℃。
作为优选，获取沉积量子阱结构410时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度为高温量子阱结构411的载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度。由于发光二极管的发光波长由靠近P型GaN层510一侧的量子阱结构决定，选取获取高温量子阱结构411的载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度，可以在不影响发光极管发光波长的前提下有充足的时间对后续载片盘表面温度进行修正，同时避免可能出现的双峰。作为最佳优选，获取沉积量子阱结构410时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度为直接与N型GaN层310接触的高温量子阱结构11的载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度。
通过对高温量子阱结构411和低温量子阱结构421层数的合理匹配，在不影响修正效果和避免双峰出现的前提下，所述修正温度可以单独为低温量子阱结构421中的阱层修正温度和/或低温量子阱结构中的垒层修正温度。实际修正时，控制修正温度在预设温度0～20℃上下波动。
由于波长对温度较为敏感再加上测量误差等因素，如果直接采用等幅度修正，容易造成波长上下大幅度波动，从而达不到本发明所要达到的目的。较佳的，所述阱层修正温度与所述阱层预设温度差值为所述衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值幅度的1/4～1。
而量子垒层对温度的表现不如量子阱层敏感，可以在较大的一个范围内对垒层预设温度进行修正。较佳的，所述垒层修正温度与所述垒层预设温度差值为所述衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值幅度的1/2～2。
当同时对阱层预设温度和垒层预设温度进行修正时，所述阱层修正温度与所述阱层预设温度差值为所述垒层修正温度与所述垒层预设温度差值的1/4～1/2。此时，发光二极管前后批次波长一致性、片内均匀性和结晶质量等参数达到最佳。
较佳的，所述量子阱结构410由5～18组周期层叠的量子阱层401和量子垒层402组成，其中高温量子阱结构411由2～6组周期层叠的量子阱层401和量子垒层402组成、低温量子阱结构421由3～12组周期层叠的量子阱层401和量子垒层402组成。所述量子阱层401厚度为2.0nm～4.0nm，所述量子垒层402厚度为3.0nm～12.0nm。
最后，进行步骤S5，在所述量子阱结构410上沉积P型GaN层510。形成所述P型GaN层510时载片盘108的转速为400～700rpm，反应腔室104压力100～600Torr，载片盘108表面温度为700℃～1100℃，生长厚度为30nm～500nm，所述P型GaN层510的镁掺杂浓度为5e18cm-3～5e20cm-3。
综上，本发明通过载片盘表面温度来控制制备发光二极管时的温度，利用探测到的衬底表面温度对载片盘表面温度进行修正，在量产过程中即使前后批次衬底翘曲不同，也能保持发光二极管波长的一致性，相比与通过衬底表面温度来控制制备发光二极管时的温度，得到的外延片片内均匀性更好；本发明提供的方法简单易用，可以通过人工进行控制也可以通过软件的设定来实现，无需额外的辅助设备，提高了产品良率。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
对沉积量子阱结构时设定一预设温度，该预设温度为载片盘表面预设温度并对应一标准温度，该标准温度为衬底表面标准温度；
获取沉积量子阱结构时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度；
根据获取的衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值对预设温度进行修正，得一修正温度；
输出所述修正温度使载片盘表面实际温度等于修正温度。
2.如权利要求1所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，所述量子阱结构包括高温量子阱结构和低温量子阱结构，所述高温量子阱结构位于N型GaN层一侧，所述低温量子阱结构位于P型GaN层一侧，低温量子阱结构沉积在高温量子阱结构上；所述预设温度包括沉积量子阱层时的阱层预设温度和/或沉积量子垒层时的垒层预设温度，所述修正温度包括沉积量子阱层时的阱层修正温度和/或沉积量子垒层时的垒层修正温度，所述高温量子阱结构中阱层预设温度、垒层预设温度至少其中之一大于所述低温量子阱结构中阱层预设温度、垒层预设温度。
3.如权利要求2所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，所述高温量子阱结构中阱层预设温度、垒层预设温度至少其中之一大于所述低温量子阱结构中阱层预设温度、垒层预设温度5～30℃。
4.如权利要求2或3所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，获取沉积量子阱结构时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度为所述高温量子阱结构的载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度。
5.如权利要求4所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，获取沉积量子阱结构时载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度为直接与N型GaN层接触的高温量子阱结构的载片盘表面实际温度和衬底表面实际温度。
6.如权利要求2所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，所述修正温度为所述低温量子阱结构中的阱层修正温度和/或低温量子阱结构中的垒层修正温度。
7.如权利要求1、2、6任一所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，所述修正温度大于或小于预设温度0～20℃。
8.如权利要求2所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，所述阱层修正温度与所述阱层预设温度差值为所述衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值幅度的1/4～1。
9.如权利要求2所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，所述垒层修正温度与所述垒层预设温度差值为所述衬底表面实际温度与衬底表面标准温度差值幅度的1/2～2。
10.如权利要求8或9所述的一种发光二极管波长控制方法，其特征在于，所述阱层修正温度与所述阱层预设温度差值为所述垒层修正温度与所述垒层预设温度差值的1/4～1/2。
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