CN109087979A - 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，属于发光二极管制造领域。在将衬底放入有机化学气相沉积设备的转盘内时，弓形的圆边表面的弦的中点与转动轴之间的距离，大于为弓形的圆边表面的弧的中点与转动轴之间的距离，这种设置使得衬底的平边表面朝向远离转盘的转动轴的一侧。此时在托盘的离心力的作用下，衬底的圆边表面部分会向背离平边表面的方向移动，在圆边表面上的外延层的外围部分与圆形凹槽的侧壁之间的摩擦减小，使得该部分的外延层的温度不会过高，保证所述外围部分中InGaN阱层中的In不会过分流失，圆边表面上生长的外延层的中心部分与外围部分发出的光波的波长长度相差不会过大，进而保证了发光二极管的发光均匀度。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管制造领域，特别涉及一种发光二极管外延片的制备方法。
背景技术
发光二极管是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管，具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。外延片是制作发光二极管的基础结构，外延片的结构包括衬底及在衬底上生长出的外延层。
目前通常使用金属有机化合物化学气相沉积(英文：Metal-organic ChemicalVapor Deposition，简称：MOCVD)设备进行外延片的生长，MOCVD设备包括反应腔、以及放置在反应腔内的转盘和转动轴。图1为转盘的结构示意图，图2为转盘和转动轴的组合结构示意图，参见图1与图2，转盘A的第一表面上设置有用于放置衬底1的圆形凹槽a，转盘A的第二表面上安装有转动轴B，转动轴B的轴线与转盘A的第二表面垂直，转盘A的第二表面为与转盘A的第一表面相反的表面。在进行外延片的生长时，将衬底1放置在转盘的圆形凹槽a内，驱动转动轴B转动，转动轴B带动转盘A转动，同时向反应腔内通入外延生长的反应物，使得反应物在衬底1上沉积，形成外延片。外延片包括衬底1及在衬底1上依次层叠的N型GaN层、有源层及P型GaN层，其中有源层包括交替层叠的InGaN阱层与GaN垒层。
如图1所示，衬底1的表面包括圆边表面11与平边表面12，圆边表面11为弧大于半圆的弓形，平边表面12为垂直于圆边表面11的矩形，矩形的一条边与弓形的弦重合。圆边表面11用于进行外延片的生长，平边表面12用于在外延片的生长过程中释放应力。
在将衬底1放置在转盘A的圆形凹槽a内时，出于便于拿放的目的，工作人员通常将所有衬底1的平边表面12均朝向转动轴B。而在转动轴B带动转盘A转动的过程中，衬底1会在离心力的作用下远离转动轴B，使得衬底1的圆边表面11上沉积的反应物的边缘与圆形凹槽a的侧壁贴在一起。由于生长外延片时所需的热量是通过转盘A传递的，因此与圆形凹槽a的侧壁贴在一起的部分的温度较高，InGaN阱层中的In会流失，发出的光波波长会出现偏差，影响了发光二极管的发光均匀度。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的的制备方法，能够提高发光二极管的发光均匀度。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：
提供一衬底，所述衬底包括平边表面与圆边表面，所述圆边表面为弧大于半圆的弓形，所述平边表面为垂直于所述圆边表面的矩形，所述矩形的一条边与所述弓形的弦重合；
将所述衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积设备MOCVD内，所述MOCVD设备包括反应腔、以及放置在所述反应腔内的转盘和转动轴，所述转盘的第一表面上设置有用于放置所述衬底的圆形凹槽，所述转盘的第二表面上安装有所述转动轴，所述转动轴的轴线与所述转盘的第二表面垂直，所述转盘的第二表面为与所述转盘的第一表面相反的表面；
在所述衬底上生长外延层；
所述弓形的弦的中点与所述转动轴之间的距离，大于所述弓形的弧的中点与所述转动轴之间的距离。
可选地，所述圆边表面的圆心到所述平边表面的垂线，与所述圆形凹槽的圆心与所述转动轴的轴心的连线之间的夹角为20°～60°。
可选地，所述圆边表面的圆心到所述平边表面的垂线，与所述圆形凹槽的圆心与所述转动轴的轴心的连线之间的夹角为20°～40°。
可选地，所述圆边表面的圆心到所述平边表面的垂线，偏离所述圆形凹槽的圆心与所述转动轴的轴心的连线的方向与所述转盘的转动方向一致。
可选地，所述在所述衬底上生长外延层包括：
向所述反应腔内通入反应物气体，进行外延层的生长，其中，所述反应物气体朝向所述平边表面通入所述反应腔内。
可选地，所述方法还包括：
在衬底上生长外延层之前，在氢气气氛下，处理衬底的表面一段时间，其中，所述反应腔内的温度为1000～1100℃，所述反应腔内的压力为200～500torr。
可选地，处理衬底的时间为5～6min。
可选地，所述在所述衬底上生长外延层包括：
在所述衬底上生长低温GaN层；
在所述低温GaN层上生长高温GaN层；
在所述高温GaN层上生长N型层；
在所述N型层上生长有源层；
在所述有源层上生长AlxGa1-xN电子阻挡层；
在所述AlxGa1-xN电子阻挡层上生长P型层，
其中，0.15＜x＜0.25。
可选地，所述有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层的厚度为2～3nm，所述量子垒层的厚度为8～11nm。
可选地，所述量子阱层的层数与所述量子垒层的层数相同，所述量子垒层的层数为11～13。
可选地，所述量子阱层的生长层数与所述量子垒层的生长层数均为11～13。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在将衬底放入有机化学气相沉积设备的转盘内时，弓形的圆边表面的弦的中点与转动轴之间的距离，大于为弓形的圆边表面的弧的中点与转动轴之间的距离，这种设置使得衬底的平边表面朝向远离转盘的转动轴的一侧。此时在托盘的离心力的作用下，衬底的圆边表面部分会向背离平边表面的方向移动，在圆边表面上的外延层的外围部分与圆形凹槽的侧壁之间的摩擦减小，使得该部分的外延层的温度不会过高，保证所述外围部分中InGaN阱层中的In不会过分流失，圆边表面上生长的外延层的中心部分与外围部分发出的光波的波长长度相差不会过大，进而保证了发光二极管的发光均匀度。
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转盘的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的转盘的主视图；
图3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流程图；
图4是本发明实施例提供的在衬底上生长外延层的流程图。
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。
图1是本发明实施例提供的转盘的结构示意图，图2是本发明实施例提供的转盘的主视图，结合图1与图2，转盘A的一个表面(第一表面)上设置有放置衬底1的圆形凹槽a，转盘上远离所述圆形凹槽a的另一个表面(第二表面)上，安装有垂直所述另一个表面的转动轴B，转动轴B与转盘A同轴设置。MOCVD设备使转动轴B带动转盘A转动。如图1所示，衬底1包括平边表面12与圆边表面11。
图3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流程图，如图3所示，该方法包括：
步骤S1：提供一衬底。
结合图1与图2，衬底1可包括平边表面12与圆边表面11，圆边表面11为弧大于半圆的弓形，平边表面12为垂直于圆边表面11的矩形，矩形的一条边与弓形的弦重合；
其中，衬底1可为蓝宝石衬底。
步骤S2：将所述衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积设备MOCVD内。
MOCVD设备可包括反应腔、以及放置在反应腔内的转盘A和转动轴B，转盘A的第一表面上设置有用于放置衬底的圆形凹槽a，转盘A的第二表面上安装有转动轴B，转动轴B的轴线与转盘A的第二表面垂直，转盘A的第二表面为与转盘A的第一表面相反的表面。
其中，为弓形的圆边表面11的弦的中点与转动轴B之间的距离，大于为弓形的圆边表面11的弧的中点与转动轴B之间的距离。
示例性地，如图1所示，衬底1的圆边表面11的圆心到平边表面12的垂线d在转盘A的第一表面上的投影，与圆形凹槽a的圆心与转动轴B的轴心的连线m之间的夹角为θ。
其中，夹角θ的范围可为20°～60°。将夹角θ设置为20°～60°，可减小衬底的平边表面与衬底的圆边表面的相交处与托盘的圆形凹槽之间的撞击，进而避免撞击带来的衬底损坏，保证在衬底上生长的外延层的质量。
进一步地，夹角θ的范围可为20°～40°。夹角θ的范围为20°～40°，可在减小衬底的平边表面与衬底的圆边表面的相交处与托盘的圆形凹槽之间的撞击的同时，保证在衬底上生长的外延层的有效面积较大，避免在外延层制作时造成浪费。
可选地，圆边表面11的圆心到平边表面12的垂线，偏离圆形凹槽a的圆心与转动轴B的轴心的连线的方向与转盘A的转动方向一致。
这种设置使得转盘在转动时，衬底的平边表面与转盘上的圆形凹槽之间的撞击较小，保证在衬底上生长的外延层的质量。
在本发明实施例中，转盘A上的圆形凹槽a的数量可为6个，但在本发明的其他实施例中，转盘A上的圆形凹槽a的数量也可为14个或者34个，本发明对此不做限制。
可选地，本方法还可包括：
在氢气气氛下，处理衬底的表面一段时间，其中，反应室温度为1000～1100℃，反应室压力为200～500torr。在此条件下对衬底表面进行处理，可减小附着在衬底表面的杂质，保证在衬底上生长的外延层的质量。
其中，处理衬底的表面的时间可为5～6min。将处理衬底表面的时间设置为5～6min可在满足清洁衬底表面的要求的同时，减少在衬底上生长外延层所花费的氢气等材料，节约成本。
步骤S3：在衬底上生长外延层。
示例性地，在衬底上生长外延层可包括：向反应腔内通入反应物气体，进行外延层的生长，其中，衬底的平边表面朝向气体通入的方向。将衬底的平边表面朝向气体通入的方向可减少衬底上圆边表面与气体之间的冲击，有利于保证在衬底上生长得到的外延层的质量，进而保证外延层各个部分之间的波长长度较为一致，保证发光二极管的发光均匀性。
具体地，图4是本发明实施例提供的在衬底上生长外延层的流程图，如图4所示，步骤S3可包括：
步骤S31：在衬底上生长低温GaN层。
其中，低温GaN层的厚度可为15～30nm。
示例性地，低温GaN层的生长温度可为530～560℃，低温GaN层的压力可为200～500torr。在此条件下生长的低温GaN层的质量较好，以保证在其上生长的外延层的质量。
步骤S32：在低温GaN层上生长高温GaN层。
其中，高温GaN层的厚度可为2～3.5um。
示例性地，高温GaN层的生长温度可为1000～1100℃，高温GaN层的压力可为200～600torr。在此条件下生长的高温GaN层的质量较好，可减小衬底与后续生长的外延层之间的晶格失配，提高外延层整体的质量。
步骤S33：在高温GaN层上生长N型层。
可选地，N型层可为掺Si的N型GaN层，N型GaN层的厚度可为2～3um。N型GaN层的生长温度可为1000～1100℃，N型GaN层的生长压力可为200～300torr。
步骤S34：在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，量子阱层的生长厚度为2～3nm，量子垒层的生长厚度为8～11nm。将有源层中量子阱层的生长厚度设置为2～3nm，量子垒层的生长厚度设置为8～11nm可使得有源层的发光效率较好，避免发光二极管的发光均匀性受到影响。
量子阱层的生长层数与量子垒层的生长层数均可为11～13。此设置可有效保证外延层的发光效率，同时避免发光二极管的发光均匀性受到影响，避免生长过多层数的量子阱层与量子垒层造成材料浪费，过少层数的量子阱层与量子垒层又会难以达到有效的发光效果。
进一步地，量子阱层和量子垒层的材料分别可为InGaN和GaN。
步骤S35：在有源层上生长AlxGa1-xN电子阻挡层。其中，0.15＜x＜0.25。
其中，AlxGa1-xN电子阻挡层的厚度可为30～50nm。
可选地，AlxGa1-xN电子阻挡层中可掺杂Mg元素，使得AlxGa1-xN电子阻挡层中的空穴浓度提高，进而增大进入有源层的空穴数量，有效提高发光二极管的发光效率，避免发光二极管的发光均匀性受到影响。
可选地，AlxGa1-xN电子阻挡层的生长温度可为930～970℃，AlxGa1-xN电子阻挡层的生长压力可为100torr。在此条件下生长得到的AlxGa1-xN电子阻挡层的质量较好。能够有效起到保证整体外延层的质量。
步骤S36：在AlxGa1-xN电子阻挡层上生长P型层。
其中，P型层可为掺杂Mg的P型GaN层，其厚度可为50～80nm。
具体地，生长P型GaN层时，P型GaN层的生长温度可为940～980℃，P型GaN层的生长压力可为200～600torr。
在将衬底放入有机化学气相沉积设备的转盘内时，为弓形的圆边表面的弦的中点与转动轴之间的距离，大于为弓形的圆边表面的弧的中点与转动轴之间的距离，这种设置使得衬底的平边表面朝向远离转盘的转动轴的一侧。此时在托盘的离心力的作用下，衬底的圆边表面部分会向背离平边表面的方向移动，在圆边表面上的外延层的外围部分与圆形凹槽的侧壁之间的摩擦减小，使得该部分的外延层的温度不会过高，保证所述外围部分中InGaN阱层中的In不会过分流失，圆边表面上生长的外延层的中心部分与外围部分发出的光波的波长长度相差不会过大，进而保证了发光二极管的发光均匀度。本发明实施例可通过Veeco K465i or C4MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现该外延片的生长，但本发明并不受其限制。
在本发明的实施例中，可采用三甲基镓或三甲基乙作为镓源，高纯氮气作为氮源，三甲基铟作为铟源，三甲基铝作为铝；N型掺杂剂选用硅烷，P型掺杂剂选用二茂镁。
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 (10)
1.一种发光二极管外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供一衬底，所述衬底包括平边表面与圆边表面，所述圆边表面为弧大于半圆的弓形，所述平边表面为垂直于所述圆边表面的矩形，所述矩形的一条边与所述弓形的弦重合；
将所述衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积设备MOCVD内，所述MOCVD设备包括反应腔、以及放置在所述反应腔内的转盘和转动轴，所述转盘的第一表面上设置有用于放置所述衬底的圆形凹槽，所述转盘的第二表面上安装有所述转动轴，所述转动轴的轴线与所述转盘的第二表面垂直，所述转盘的第二表面为与所述转盘的第一表面相反的表面；
在所述衬底上生长外延层；
其特征在于，所述弓形的弦的中点与所述转动轴之间的距离，大于所述弓形的弧的中点与所述转动轴之间的距离。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述圆边表面的圆心到所述平边表面的垂线，与所述圆形凹槽的圆心与所述转动轴的轴心的连线之间的夹角为20°～60°。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述圆边表面的圆心到所述平边表面的垂线，与所述圆形凹槽的圆心与所述转动轴的轴心的连线之间的夹角为20°～40°。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述圆边表面的圆心到所述平边表面的垂线，偏离所述圆形凹槽的圆心与所述转动轴的轴心的连线的方向与所述转盘的转动方向一致。
5.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上生长外延层包括：
向所述反应腔内通入反应物气体，进行外延层的生长，其中，所述反应物气体朝向所述平边表面通入所述反应腔内。
6.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在衬底上生长外延层之前，在氢气气氛下，处理衬底的表面一段时间，其中，所述反应腔内的温度为1000～1100℃，所述反应腔内的压力为200～500torr。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，处理衬底的时间为5～6min。
8.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述衬底上生长外延层包括：
在所述衬底上生长低温GaN层；
在所述低温GaN层上生长高温GaN层；
在所述高温GaN层上生长N型层；
在所述N型层上生长有源层；
在所述有源层上生长AlxGa1-xN电子阻挡层；
在所述AlxGa1-xN电子阻挡层上生长P型层，
其中，0.15＜x＜0.25。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述有源层包括交替生长的量子阱层和量子垒层，所述量子阱层的厚度为2～3nm，所述量子垒层的厚度为8～11nm。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述量子阱层的层数与所述量子垒层的层数相同，所述量子垒层的层数为11～13。
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