CN109346565A - 发光二极管外延片的金属有机化合物化学气相沉淀方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片的金属有机化合物化学气相沉淀方法，属于发光二极管技术领域。方法包括：打开金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD设备的反应室；反应室内设有放置衬底的托盘，托盘包括内圈区域和外圈区域，内圈区域为位于托盘的中心的圆形区域，外圈区域为环绕内圈区域的圆环区域；在内圈区域放置若干第一图形化蓝宝石衬底PSS，在外圈区域放置若干第二PSS；第一PSS的数量大于或等于4，第二PSS的数量大于或等于10；第一PSS的底宽小于第二PSS的底宽，底宽为PSS的图形的最大横向尺寸；关闭反应室；对托盘进行加热，并驱动托盘旋转；在托盘上放置的各个衬底上沉积外延层，外延层包括顺次层叠的n型GaN层、发光层和p型GaN层。

Description

发光二极管外延片的金属有机化合物化学气相沉淀方法

技术领域

本发明涉及发光二极管技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片的MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)方法。

背景技术

GaN(氮化镓)是第三代宽禁带半导体材料的典型代表，具有优异的高热导率、耐高温、耐酸碱、高硬度等特型，被广泛应用于制作蓝、绿、以及紫外发光二极管。GaN基发光二极管通常包括外延片和设于外延片上的电极。

MOCVD方法是目前量产GaN基发光二极管外延片的主要方式，主要包括：首先，打开MOCVD设备反应室，将多个同类型的衬底放置到反应室中的衬底托盘上，并关闭反应室。其次，对托盘进行加热，以对衬底进行加热；同时驱动托盘旋转，以带动衬底旋转。然后，在衬底为加热和旋转状态时，在衬底上生长外延层。为了实现量产，衬底托盘的容量不断增加，衬底托盘上可以放置的衬底数量也随之增加。以型号为Veeco K465i的MOCVD设备为例，其衬底托盘可以放置14片4寸衬底。衬底托盘的衬底放置区域分内、外两圈，内圈可以放置4片，外圈可以放置10片。

衬底受热时，衬底边沿将向上翘曲。而衬底旋转时，由于内、外两圈的半径不同，外圈比内圈受到的离心力作用更大一些，外圈的衬底在更大的离心力作用下，外圈的衬底翘曲程度比内圈的衬底翘曲程度更大一些。内外两圈衬底较大的翘曲差异，极大地影响了两圈外延片的波长均匀性，不利于波长命中率的提高。

发明内容

本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的金属有机化合物化学气相沉淀方法，能够减小内外两圈衬底的翘曲差异，改善外延片的波长均匀性。所述技术方案如下：

本发明提供了一种发光二极管外延片的金属有机化合物化学气相沉淀方法，所述方法包括：

打开金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD设备的反应室；所述反应室内设有放置衬底的托盘，所述托盘包括内圈区域和外圈区域，所述内圈区域为位于所述托盘的中心的圆形区域，所述外圈区域为环绕所述内圈区域的圆环区域；

在所述内圈区域放置若干第一图形化蓝宝石衬底PSS，在所述外圈区域放置若干第二PSS；所述第一PSS的数量大于或等于4，所述第二PSS的数量大于或等于10；所述第一PSS的底宽小于所述第二PSS的底宽，所述底宽为PSS的图形的最大横向尺寸；

关闭所述反应室；

对所述托盘进行加热，并驱动所述托盘旋转；

在所述托盘上放置的各个衬底上沉积外延层，所述外延层包括顺次层叠的n型GaN层、发光层和p型GaN层。

可选地，所述内圈区域包括中心区域和边缘区域，所述边缘区域为环绕所述中心区域的圆环区域，所述边缘区域位于所述中心区域与所述外圈区域之间；

所述中心区域放置的所述第一PSS的数量为4，所述边缘区域放置的所述第一PSS的数量为10，所述外圈区域放置的所述第二PSS的数量为17片；或者，

所述中心区域放置的所述第一PSS的数量为5，所述边缘区域放置的所述第一PSS的数量为11，所述外圈区域放置的所述第二PSS的数量为18片。

可选地，所述第一PSS的底宽与所述第二PSS的底宽的差值为d1，0<d1<0.25μm。

可选地，所述第一PSS和所述第二PSS的底宽为如下五种底宽中的任意两种：

2.65～2.7μm，2.7～2.75μm，2.75～2.8μm，2.8～2.85μm、以及2.85～2.9μm。

可选地，所述第一PSS和所述第二PSS的图形的高度均为1.6～1.8μm。

可选地，所述托盘还包括中圈区域，中圈区域位于外圈区域与内圈区域之间，中圈区域为环绕内圈区域的圆环区域；

在关闭所述反应室之前，所述方法还包括：

在所述中圈区域放置若干第三PSS；所述第三PSS的数量大于或等于10，所述第二PSS的数量大于或等于17；所述第一PSS的底宽小于所述第三PSS的底宽，所述第三PSS的底宽小于所述第二PSS的底宽。

可选地，所述第一PSS的底宽与所述第三PSS的底宽的差值、以及所述第三PSS的底宽与所述第二PSS的底宽的差值均为d2，0<d2<0.2μm。

可选地，所述第一PSS、所述第二PSS、以及所述第三PSS的底宽为如下五种底宽中的任意三种：

2.65～2.7μm，2.7～2.75μm，2.75～2.8μm，2.8～2.85μm、以及2.85～2.9μm。

可选地，所述第一PSS、所述第二PSS、以及所述第三PSS的图形的高度均为1.6～1.8μm。

可选地，在所述打开金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD设备的反应室之前，所述方法还包括：

采用物理气相沉积方法分别在各个所述第一PSS和各个所述第二PSS上沉积AlN层，所述外延层位于所述AlN层之上。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过打开MOCVD设备的反应室，并在反应室内托盘的内圈区域放置第一PSS，在托盘的外圈区域放置第二PSS，第一PSS的底宽小于第二PSS的底宽；在关闭反应室后并对托盘进行加热时，衬底受热发生翘曲；由于PSS的图形的底宽会影响衬底的翘曲，并且，底宽的大小和衬底的翘曲程度呈负相关，即底宽越小，外延片的翘曲越凹；那么，在仅考虑底宽影响时，第一PSS的翘曲程度比第二PSS的翘曲程度更大一些；驱动托盘旋转时，衬底将受到离心力影响；在仅考虑离心力影响时，外圈区域比内圈区域受到的离心力更大一些，第一PSS的翘曲程度比第二PSS的翘曲程度更小一些；这样，综合底宽影响和离心力影响之后，底宽影响带来的翘曲差异将抵消离心力影响带来的翘曲差异，第一PSS的翘曲程度和第二PSS的翘曲程度会趋于一致；在各个衬底上沉积外延层，得到的外延片的波长均匀性将得到改善，提高波长命中率。

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金属有机化合物化学气相沉淀方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的两圈衬底的放置示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的金属有机化合物化学气相沉淀方法的流程图；

图4和图5是本发明实施例提供的三圈衬底的放置示意图。

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。

图1示出了本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的金属有机化合物化学气相沉淀方法。参见图1，该方法流程包括如下步骤。

步骤101、打开MOCVD设备的反应室。

其中，反应室内设有放置衬底的托盘，托盘包括内圈区域和外圈区域，内圈区域为位于托盘的中心的圆形区域，外圈区域为环绕内圈区域的圆环区域。

内圈区域可以放置的衬底数量大于或等于4，外圈区域可以放置的衬底数量大于或等于10。

步骤102、在内圈区域放置若干第一PSS(Patterned Sapphire Substrate，图形化蓝宝石衬底)，在外圈区域放置若干第二PSS。

其中，第一PSS的数量大于或等于4，第二PSS的数量大于或等于10。示例性地，当MOCVD设备的型号为Veeco K465i或者Veeco C4时，如图2所示，内圈区域11可以放置的衬底数量，即第一PSS 11a的数量等于4，外圈区域12可以放置的衬底数量，即第二PSS 12a的数量等于10。

其中，第一PSS的底宽小于第二PSS的底宽，底宽为PSS的图形的最大横向尺寸。示例性地，当图形横截面为圆形时，底宽为图形的直径。

步骤103、关闭反应室。

步骤104、对托盘进行加热，并驱动托盘旋转。

步骤105、在托盘上放置的各个衬底上沉积外延层。

其中，外延层包括顺次层叠的n型GaN层、发光层和p型GaN层。

本发明实施例通过打开MOCVD设备的反应室，并在反应室内托盘的内圈区域放置第一PSS，在托盘的外圈区域放置第二PSS，第一PSS的底宽小于第二PSS的底宽；在关闭反应室后并对托盘进行加热时，衬底受热发生翘曲；由于PSS的图形的底宽会影响衬底的翘曲，并且，底宽的大小和衬底的翘曲程度呈负相关，即底宽越小，外延片的翘曲越凹；那么，在仅考虑底宽影响时，第一PSS的翘曲程度比第二PSS的翘曲程度更大一些；驱动托盘旋转时，衬底将受到离心力影响；在仅考虑离心力影响时，外圈区域比内圈区域受到的离心力更大一些，第一PSS的翘曲程度比第二PSS的翘曲程度更小一些；这样，综合底宽影响和离心力影响之后，底宽影响带来的翘曲差异将抵消离心力影响带来的翘曲差异，第一PSS的翘曲程度和第二PSS的翘曲程度会趋于一致；在各个衬底上沉积外延层，得到的外延片的波长均匀性将得到改善，提高波长命中率。

图3示出了本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的金属有机化合物化学气相沉淀方法。参见图3，该方法流程包括如下步骤。

步骤201、提供若干第一PSS和第二PSS。

PSS为刻蚀有图形的蓝宝石衬底。图形形状可以是圆锥、圆台、圆柱、以及三角锥等。采用PSS生长GaN基发光二极管外延片，可以使GaN材料的纵向外延变为横向外延，可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高发光二极管的寿命。

第一PSS和第二PSS的图形形状可以相同，也可以不同。比如第一PSS和第二PSS的图形形状均可以为圆锥；或者，第一PSS的图形形状为圆锥，第二PSS的图形形状为三角锥。

第一PSS和第二PSS的图形间的间距可以相同，也可以不同。示例性，第一PSS的图形间的间距可以是2.9μm；第二PSS的图形间的间距可以是3.0μm。

第一PSS和第二PSS的图形高度可以相同。示例性地，第一PSS和第二PSS的图形的高度均为1.6～1.8μm。

第一PSS和第二PSS的底宽不同：第一PSS的底宽小于第二PSS的底宽，底宽为PSS的图形的最大横向尺寸。示例性，当图形形状为三角锥时，底宽为图形底部横截面的外接圆的直径。作为可选的实施方式，第一PSS的底宽与第二PSS的底宽的差值可以为d1，0<d1<0.25μm。

示例性地，第一PSS和第二PSS的底宽为如下五种底宽中的任意两种：2.65～2.7μm，2.7～2.75μm，2.75～2.8μm，2.8～2.85μm、以及2.85～2.9μm。比如，第一PSS的底宽为2.7～2.75μm，第二PSS的底宽为2.75～2.8μm。

当MOCVD设备的托盘可以放置三圈衬底，且三圈衬底的底宽均不同时，本步骤201还包括：提供若干第三PSS。

第一PSS、第二PSS和第三PSS的图形形状可以相同，也可以不同。第一PSS、第二PSS和第三PSS的图形间的间距可以相同，也可以不同。示例性，第一PSS的图形间的间距可以是2.8μm；第二PSS的图形间的间距可以是3.0μm；第三PSS的图形间的间距可以是2.9μm。

第一PSS、第二PSS和第三PSS的图形高度可以相同。示例性地，第一PSS、第二PSS和第三PSS的高度均为1.6～1.8μm。

其中，第一PSS的底宽小于第三PSS的底宽，第三PSS的底宽小于第二PSS的底宽。作为可选的实施方式，第一PSS的底宽与第三PSS的底宽的差值、以及第三PSS的底宽与第二PSS的底宽的差值均为d2，0<d2<0.2μm。

示例性地，第一PSS、第二PSS、以及第三PSS的底宽为如下五种底宽中的任意三种：2.65～2.7μm，2.7～2.75μm，2.75～2.8μm，2.8～2.85μm、以及2.85～2.9μm。比如，第一PSS的底宽为2.7～2.75μm，第三PSS的底宽为2.75～2.8μm，第二PSS的底宽为2.8～2.85μm。

步骤202、采用物理气相沉积方法分别在各个第一PSS和各个第二PSS上沉积AlN层。

AlN层为缓冲层，位于蓝宝石衬底和GaN基外延之间。

相应地，步骤202还包括：采用物理气相沉积方法分别在各个第三PSS上沉积AlN层。

步骤203、打开MOCVD设备的反应室。

其中，反应室内设有放置衬底的托盘。托盘包括内圈区域和外圈区域，内圈区域为位于托盘的中心的圆形区域，外圈区域为环绕内圈区域的圆环区域。内圈区域可以放置的衬底数量大于或等于4，外圈区域可以放置的衬底数量大于或等于10。

步骤204、在内圈区域放置若干第一PSS，在外圈区域放置若干第二PSS。

由于MOCVD设备的限制，托盘用于放置衬底的空间有所区别，一些MOCVD设备的托盘可以放置两圈衬底，另一些MOCVD设备的托盘可以放置三圈衬底。

托盘放置两圈衬底的方式如图2所示。当MOCVD设备的型号为Veeco K465i或者Veeco C4时，外圈区域和内圈区域可以分别放置一圈衬底。在其他的实施方式中，外圈区域可以放置一圈衬底，内圈区域可以放置两圈衬底。

托盘放置三圈衬底的方式如图4和图5所示。参见图4，内圈区域11包括中心区域111和边缘区域112，边缘区域112为环绕中心区域111的圆环区域，边缘区域112位于中心区域111与外圈区域12之间。中心区域111可以放置一圈第一PSS 11a，边缘区域112也可以放置一圈第一PSS 11a。示例性地，当MOCVD设备的型号为Veeco TurboDisk EPIK700系列时，如图4所示，中心区域111放置的第一PSS 11a的数量为4，边缘区域112放置的第一PSS 11a的数量为10，外圈区域12放置的第二PSS 12a的数量为17片。

图4示出的三圈衬底放置方式中，里面两圈(包括中心区域111和边缘区域112)衬底均为第一PSS 11a。由于离心力的作用，里面两圈的衬底的翘曲程度可能存在差异，因此，里面两圈的衬底也可以具有不同底宽，以减小翘曲差异。参见图5，托盘还包括中圈区域13，中圈区域13位于外圈区域12与内圈区域11之间，中圈区域13为环绕内圈区域11的圆环区域。本步骤204还包括：在中圈区域放置若干第三PSS；第三PSS的数量大于或等于10，第二PSS的数量大于或等于17。示例性地，当MOCVD设备的型号为中微Prismo A7系列时，如图5所示，内圈区域11放置的第一PSS 11a的数量为5，中圈区域13放置的第三PSS 13a的数量为11，外圈区域12放置的第二PSS 12a的数量为18片。

步骤205、关闭反应室。

在放置完毕衬底后，关闭反应室，准备生长外延层。

步骤206、对托盘进行加热，并驱动托盘旋转。

在关闭反应室后，对托盘底部进行加热，这时，衬底将受热。在热作用力下，衬底边沿将向上翘曲。此外，驱动托盘带动衬底高速旋转，为生长外延层作准备。

步骤207、在托盘上放置的各个衬底上沉积外延层。

本步骤207可以包括：在各个衬底的AlN层上顺次层叠外延层，外延层包括n型GaN层、发光层和p型GaN层。

本发明实施例通过打开MOCVD设备的反应室，并在反应室内托盘的内圈区域放置第一PSS，在托盘的外圈区域放置第二PSS，第一PSS的底宽小于第二PSS的底宽；在关闭反应室后并对托盘进行加热时，衬底受热发生翘曲；由于PSS的图形的底宽会影响衬底的翘曲，并且，底宽的大小和衬底的翘曲程度呈负相关，即底宽越小，外延片的翘曲越凹；那么，在仅考虑底宽影响时，第一PSS的翘曲程度比第二PSS的翘曲程度更大一些；驱动托盘旋转时，衬底将受到离心力影响；在仅考虑离心力影响时，外圈区域比内圈区域受到的离心力更大一些，第一PSS的翘曲程度比第二PSS的翘曲程度更小一些；这样，综合底宽影响和离心力影响之后，底宽影响带来的翘曲差异将抵消离心力影响带来的翘曲差异，第一PSS的翘曲程度和第二PSS的翘曲程度会趋于一致；在各个衬底上沉积外延层，得到的外延片的波长均匀性将得到改善，提高波长命中率。

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金属有机化合物化学气相沉淀方法，其特征在于，所述方法包括：

打开金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD设备的反应室；所述反应室内设有放置衬底的托盘，所述托盘包括内圈区域和外圈区域，所述内圈区域为位于所述托盘的中心的圆形区域，所述外圈区域为环绕所述内圈区域的圆环区域；

在所述内圈区域放置若干第一图形化蓝宝石衬底PSS，在所述外圈区域放置若干第二PSS；所述第一PSS的数量大于或等于4，所述第二PSS的数量大于或等于10；所述第一PSS的底宽小于所述第二PSS的底宽，所述底宽为PSS的图形的最大横向尺寸；

关闭所述反应室；

对所述托盘进行加热，并驱动所述托盘旋转；

在所述托盘上放置的各个衬底上沉积外延层，所述外延层包括顺次层叠的n型GaN层、发光层和p型GaN层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内圈区域包括中心区域和边缘区域，所述边缘区域为环绕所述中心区域的圆环区域，所述边缘区域位于所述中心区域与所述外圈区域之间；

所述中心区域放置的所述第一PSS的数量为4，所述边缘区域放置的所述第一PSS的数量为10，所述外圈区域放置的所述第二PSS的数量为17片；或者，所述中心区域放置的所述第一PSS的数量为5，所述边缘区域放置的所述第一PSS的数量为11，所述外圈区域放置的所述第二PSS的数量为18片。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述第一PSS的底宽与所述第二PSS的底宽的差值为d1，0<d1<0.25μm。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一PSS和所述第二PSS的底宽为如下五种底宽中的任意两种：

2.65～2.7μm，2.7～2.75μm，2.75～2.8μm，2.8～2.85μm、以及2.85～2.9μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述第一PSS和所述第二PSS的图形的高度均为1.6～1.8μm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述托盘还包括中圈区域，中圈区域位于外圈区域与内圈区域之间，中圈区域为环绕内圈区域的圆环区域；

在关闭所述反应室之前，所述方法还包括：

在所述中圈区域放置若干第三PSS；所述第三PSS的数量大于或等于10，所述第二PSS的数量大于或等于17；所述第一PSS的底宽小于所述第三PSS的底宽，所述第三PSS的底宽小于所述第二PSS的底宽。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一PSS的底宽与所述第三PSS的底宽的差值、以及所述第三PSS的底宽与所述第二PSS的底宽的差值均为d2，0<d2<0.2μm。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一PSS、所述第二PSS、以及所述第三PSS的底宽为如下五种底宽中的任意三种：

2.65～2.7μm，2.7～2.75μm，2.75～2.8μm，2.8～2.85μm、以及2.85～2.9μm。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，

所述第一PSS、所述第二PSS、以及所述第三PSS的图形的高度均为1.6～1.8μm。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述打开金属有机化合物化学气相沉淀MOCVD设备的反应室之前，所述方法还包括：

采用物理气相沉积方法分别在各个所述第一PSS和各个所述第二PSS上沉积AlN层，所述外延层位于所述AlN层之上。