CN108493304B - 一种发光二极管外延片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片的制备方法，属于半导体技术领域。所述制备方法包括：提供设有缓冲层的衬底，所述缓冲层包括氮化硼层；在所述缓冲层上生长未掺杂氮化镓层；在所述未掺杂氮化镓层上设置粘性膜；利用粘性膜将所述未掺杂氮化镓层与所述缓冲层分离，并转移到基底上；去除粘性膜，留下设有所述未掺杂氮化镓层的基底。本发明通过采用氮化硼层作为衬底上的缓冲层，并在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层，因此在氮化硼层上生长的未掺杂氮化镓层的晶体质量较好。再利用粘性膜将晶体质量较好的未掺杂氮化镓层与缓冲层分离，并转移到基底上，即可得到晶体质量较好的外延片底层，从而继续生长得到的发光二极管外延片的晶体质量也会较好。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的制备方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。以氮化镓为代表的半导体发光二极管，具有禁带宽度大、高饱和漂移速度、耐高温、大功率容量等优良特性，应用广泛。
发光二极管芯片是发光二极管的核心组件，包括外延片和设置在外延上的电极。现有的氮化镓基发光二极管外延片是在蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层和P型氮化镓层而成。其中，缓冲层为氮化铝层或氮化镓层；多量子阱层包括交替层叠的多个量子阱和多个量子垒，量子阱为铟镓氮层，量子垒为氮化镓层。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
蓝宝石和氮化镓材料之间存在较大的晶格失配，缓冲层虽然可以缓解蓝宝石和氮化镓材料之间的晶格失配，但效果有限，晶格失配产生的热膨胀和应力仍然导致外延片内具有较高密度的位错，外延片的晶体质量较低，甚至出现裂纹。
发明内容
为了解决现有技术外延片晶体质量差的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供设有缓冲层的衬底，所述缓冲层包括氮化硼层；
在所述缓冲层上生长未掺杂氮化镓层；
在所述未掺杂氮化镓层上设置粘性膜；
利用粘性膜将所述未掺杂氮化镓层与所述缓冲层分离，并转移到基底上；
去除粘性膜，留下设有所述未掺杂氮化镓层的基底。
可选地，所述制备方法还包括：
在留下所述基底之后，在所述未掺杂氮化镓层上依次生长N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，形成所述发光二极管外延片。
可选地，所述氮化硼层为六方氮化硼层。
优选地，所述氮化硼层的层数为1层～40层。
具体地，所述提供设有缓冲层的衬底，所述缓冲层包括氮化硼层，包括：
控制温度为1000℃～1200℃，压力为4×104Pa～6×104Pa，在所述衬底上生长氮化硼层。
可选地，所述缓冲层还包括氮化铝层或者氮化镓层，所述氮化铝层或者氮化镓层设置在所述氮化硼层和所述衬底之间。
可选地，所述未掺杂氮化镓层的厚度为1μm～2μm。
可选地，所述在所述未掺杂氮化镓层上设置粘性膜，包括：
在所述未掺杂氮化镓层上旋涂聚二甲基硅氧烷，形成所述粘性膜。
优选地，所述利用粘性膜将所述未掺杂氮化镓层与所述缓冲层分离，并转移到基底上，包括：
撕除粘性膜，使所述未掺杂氮化镓层在机械应力的作用下与所述缓冲层分离；
将所述未掺杂氮化镓层铺设在所述基底上，使所述未掺杂氮化镓层在范德华力的作用下固定在所述基底上。
优选地，所述去除粘性膜，留下设有所述未掺杂氮化镓层的基底，包括：
将所述粘性膜浸泡在丙酮溶液中，使所述粘性膜溶解在所述丙酮溶液中，留下设有所述未掺杂氮化镓层的基底。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过采用氮化硼层作为衬底上的缓冲层，并在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层，由于氮化硼和氮化镓材料之间晶格比较匹配，而且氮化硼可以阻断晶格失配产生的位错延伸，因此在氮化硼层上生长的未掺杂氮化镓层的晶体质量较好。再利用粘性膜将晶体质量较好的未掺杂氮化镓层与缓冲层分离，并转移到基底上，即可得到晶体质量较好的外延片底层，由于外延片底层的晶体质量较好，因此在外延片底层上继续生长得到的发光二极管外延片的晶体质量也会较好，从而提高了发光二极管外延片的晶体质量，最终提高了发光二极管的发光效率。另外，与未掺杂氮化镓层分离的缓冲层和衬底可继续用于生长新的未掺杂氮化镓层，从而批量供应晶体质量良好的未掺杂氮化镓层，提高采用氮化硼层作为缓冲层的衬底的使用效率，降低实现成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法的流程图；
图2a-图2f是本发明实施例提供的制备方法执行过程中发光二极管外延片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制备方法，图1为本发明实施例提供的制备方法的流程图，参见图1，该制备方法包括：
步骤101：提供设有缓冲层的衬底。
图2a为步骤101执行之后发光二极管外延片的结构示意图。其中，1为衬底，2为缓冲层。如图2a所示，缓冲层2设置在衬底1上。
在本实施例中，缓冲层包括氮化硼层。
具体地，氮化硼层可以为六方氮化硼层。六方氮化硼具有类似石墨的层状结构，因此采用六方氮化硼形成缓冲层，可以较好地阻断晶格失配产生的位错延伸。
可选地，氮化硼层的层数可以为1层～40层，避免氮化硼层的层数太多而造成浪费。
优选地，氮化硼层的层数可以为1层～20层，如10层。
相应地，该步骤101可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃，压力为4×104Pa～6×104Pa，在衬底上生长氮化硼层。
例如，控制温度为1100℃，压力为5×104Pa，在衬底上生长氮化硼层。
需要说明的是，本实施例中的外延生长在金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)反应腔内进行，控制的温度和压力分别指MOCVD反应腔内的温度和压力。
在具体实现时，氮化硼层也可以为菱方氮化硼、立方氮化硼和纤锌矿氮化硼中的一种。此时也可以阻断晶格失配产生的位错延伸，但阻断效果没有六方氮化硼层好。
以立方氮化硼为例，该步骤101可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃，压力为4×104Pa～6×104Pa，在衬底上生长六方氮化硼层；
控制温度为1800℃～1850℃，压力为5GPa～18GPa，将六方氮化硼层转换为立方氮化硼层。
进一步地，缓冲层还可以包括氮化铝层或者氮化镓层，氮化铝层或者氮化镓层设置在氮化硼层和衬底之间。
相应地，该步骤101可以包括：
在衬底上生长氮化铝层或者氮化镓层；
在氮化铝层或者氮化镓层上生长氮化硼层。
具体地，氮化铝层或者氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为150Pa～250Pa。
在本实施例中，衬底的材料可以为蓝宝石，实现成本低。在其它实施例中，衬底的材料也可以为硅或者碳化硅。
步骤102：在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层。
图2b为步骤102执行之后发光二极管外延片的结构示意图。其中，3为未掺杂氮化镓层。如图2b所示，未掺杂氮化镓层3设置在缓冲层2上。
可选地，未掺杂氮化镓层的厚度可以为1μm～2μm，如1.5μm。当未掺杂氮化镓层的厚度小于1μm时，可能由于厚度太薄而无法保证后续生长的外延材料的晶体质量；当未掺杂氮化镓层的厚度大于2μm时，可能会造成材料的浪费。
具体地，未掺杂氮化镓层的生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为150Pa～250Pa。
步骤103：在未掺杂氮化镓层上设置粘性膜。
图2c为步骤103执行之后发光二极管外延片的结构示意图。其中，4为粘性膜。如图2c所示，粘性膜4设置在未掺杂氮化镓层3上。
可选地，该步骤103可以包括：
在未掺杂氮化镓层上旋涂聚二甲基硅氧烷(英文：polydimethylsiloxane，简称：PDMS)，形成粘性膜。
优选地，PDMS旋涂的转速可以为600转/分钟(英文：revolutions per minute，简称：RPM)～1200RPM，可以将PDMS均匀旋涂在未掺杂氮化镓层上。
在实际应用中，还可以将粘性膜粘附在未掺杂氮化镓层上。例如，将可直接使用的采用PDMS材料形成的粘性膜粘附在未掺杂氮化镓层上，再按照与在未掺杂氮化镓层上形成的粘性膜相同的方式即可完成未掺杂氮化镓层的转移 (详见下文)。具体地，可直接使用的粘性膜可以是预先在其它基底上采用PDMS 形成的粘性膜，也可以是直接采购的PDMS材料的粘性膜的成品。
而将可直接使用的粘性膜粘附在未掺杂氮化镓层上，与在未掺杂氮化镓层上形成的粘性膜相比，实现上更为简单方便，但是对未掺杂氮化镓层的粘附效果较差。
步骤104：利用粘性膜将未掺杂氮化镓层与缓冲层分离，并转移到基底上。
图2d为未掺杂氮化镓层与缓冲层分离之后发光二极管外延片的结构示意图，图2e为未掺杂氮化镓层转移到基底上之后发光二极管外延片的结构示意图。其中，5为基底。如图2d和图2e所示，未掺杂氮化镓层3与缓冲层2分离之后，转移到基底5上。
具体地，该步骤104可以包括：
撕除粘性膜，使未掺杂氮化镓层在机械应力的作用下与缓冲层分离；
将未掺杂氮化镓层铺设在基底上，使未掺杂氮化镓层在范德华力的作用下固定在基底上。
在具体实现时，撕除粘性膜的过程中，由于粘性膜对未掺杂氮化镓层有粘附力，因此未掺杂氮化镓层会被一并撕除，同时未掺杂氮化镓层和缓冲层之间的范德华力较小，使得未掺杂氮化镓层在机械应力的作用下与缓冲层分离；在将未掺杂氮化镓层铺设在基底上之后，由于未掺杂氮化镓层和基底之间有范德华力，因此未掺杂氮化镓层会自动固定在基底上。
容易知道，分离未掺杂氮化镓层的缓冲层和衬底，可用于继续生长新的未掺杂氮化镓层，即提供步骤101中所述的设有缓冲层的衬底。也就是说，设有缓冲层的衬底可用于循环执行步骤101～步骤104，不断提供新的未掺杂氮化镓层，一个设有缓冲层的衬底反复利用，可批量供应晶体质量良好的未掺杂氮化镓层，使用效率极高，从而大大节省了生产材料和生产工艺，降低了实现成本。
步骤105：去除粘性膜，留下设有未掺杂氮化镓层的基底。
图2f为步骤105执行之后发光二极管外延片的结构示意图。如图2f所示，粘性膜4已被去除，留下未掺杂氮化镓层3和基底5。
具体地，该步骤105可以包括：
将粘性膜浸泡在丙酮溶液中，使粘性膜溶解在丙酮溶液中，留下设有未掺杂氮化镓层的基底。
可选地，丙酮溶液的温度可以为75℃～85℃，优选为70℃。
可选地，基底可以为蓝宝石基片、硅片和石英片中的一种。
在具体实现时，在步骤105之后，该制备方法还可以包括：
在未掺杂氮化镓层上依次生长N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，形成发光二极管外延片。
具体地，N型半导体层可以为N型掺杂的氮化镓层，P型半导体层可以为P 型掺杂的氮化镓层；多量子阱层包括多个量子阱和多个量子垒，多个量子阱和多个量子垒交替层叠，每个量子阱可以为铟镓氮层，每个量子垒可以为氮化镓层。
更具体地，N型半导体层的厚度可以为1μm～5μm，生长温度可以为1000℃～1200℃，生长压力可以为100torr～500torr，N型掺杂剂的掺杂浓度可以为 1018cm-3～1019cm-3；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子阱的数量可以为3 个～15个；量子阱的厚度可以为2.5nm～3.5nm，生长温度可以为720℃～829℃，生长压力可以为100torr～500torr；量子垒的厚度可以为9nm～20nm，生长温度可以为850℃～959℃，生长压力可以为100torr～500torr；P型半导体层的厚度可以为100nm～800nm，生长温度可以为850℃～1080℃，生长压力可以为100torr～300torr。
进一步地，该制备方法还可以包括：
在生长完多量子阱层之后，在多量子阱层上生长电子阻挡层。
具体地，电子阻挡层可以为P型掺杂的铝镓氮层，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜ 0.5。
更具体地，电子阻挡层的厚度可以为50nm～150nm，生长温度可以为850℃～1080℃，生长压力可以为200torr～500torr。
进一步地，该制备方法还可以包括：
在生长完P型半导体层之后，在P型半导体层上生长P型接触层。
具体地，P型接触层可以为P型掺杂的氮化镓层。
更具体地，P型接触层的厚度可以为5nm～300nm，生长温度可以为850℃～1050℃，生长压力可以为100torr～300torr。
在外延生长结束之后，会先将温度降低，在氮气气氛中进行退火处理，退火处理的温度可以为650℃～850℃，退出处理的时间可以为5min～15min，再将温度降至室温。
在实际应用中，还可以在未掺杂氮化镓层上生长形成其它半导体器件，如功率管。
本发明实施例通过采用氮化硼层作为衬底上的缓冲层，并在缓冲层上生长未掺杂氮化镓层，由于氮化硼和氮化镓材料之间晶格比较匹配，而且氮化硼可以阻断晶格失配产生的位错延伸，因此在氮化硼层上生长的未掺杂氮化镓层的晶体质量较好。再利用粘性膜将晶体质量较好的未掺杂氮化镓层与缓冲层分离，并转移到基底上，即可得到晶体质量较好的外延片底层，由于外延片底层的晶体质量较好，因此在外延片底层上继续生长得到的发光二极管外延片的晶体质量也会较好，从而提高了发光二极管外延片的晶体质量，最终提高了发光二极管的发光效率。另外，与未掺杂氮化镓层分离的缓冲层和衬底可继续用于生长新的未掺杂氮化镓层，从而批量供应晶体质量良好的未掺杂氮化镓层，提高采用氮化硼层作为缓冲层的衬底的使用效率，降低实现成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供设有缓冲层的衬底，所述缓冲层包括氮化硼层；
在所述缓冲层上生长未掺杂氮化镓层；
在所述未掺杂氮化镓层上设置粘性膜；
撕除所述粘性膜，使所述未掺杂氮化镓层在机械应力的作用下与所述缓冲层分离；
将所述未掺杂氮化镓层铺设在基底上，使所述未掺杂氮化镓层在范德华力的作用下固定在所述基底上；
去除所述粘性膜，留下设有所述未掺杂氮化镓层的基底；
在所述未掺杂氮化镓层上依次生长N型半导体层、多量子阱层和P型半导体层，形成所述发光二极管外延片。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硼层为六方氮化硼层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硼层的层数为1层～40层。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述提供设有缓冲层的衬底，所述缓冲层包括氮化硼层，包括：
控制温度为1000℃～1200℃，压力为4×104Pa～6×104Pa，在所述衬底上生长氮化硼层。
5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述缓冲层还包括氮化铝层或者氮化镓层，所述氮化铝层或者氮化镓层设置在所述氮化硼层和所述衬底之间。
6.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述未掺杂氮化镓层的厚度为1μm～2μm。
7.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述未掺杂氮化镓层上设置粘性膜，包括：
在所述未掺杂氮化镓层上旋涂聚二甲基硅氧烷，形成所述粘性膜。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述去除粘性膜，留下设有所述未掺杂氮化镓层的基底，包括：
将所述粘性膜浸泡在丙酮溶液中，使所述粘性膜溶解在所述丙酮溶液中，留下设有所述未掺杂氮化镓层的基底。
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