CN109545909B - 一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，属于半导体技术领域。包括：提供至少两种设有氮化铝层的衬底，各种衬底上的氮化铝层的厚度不同；提供一石墨基座，石墨基座上设有多个口袋；在每个口袋中放置一个衬底，衬底上的氮化铝层朝向口袋的开口，分布在同一个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度相同，分布在至少两个同心圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度自至少两个同心圆的圆心沿至少两个同心圆的径向逐渐减少；在每个口袋中放置的衬底上的氮化铝层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层，形成氮化镓基发光二极管外延片。本发明可使得所有口袋中形成的外延片的翘曲一致。

Description

一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法。
背景技术
发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。氮化镓(GaN)具有良好的热导性能，同时具有耐高温、耐酸碱、高硬度等特性，广泛应用于各种波段的发光二极管。发光二极管的核心组件是芯片，芯片包括外延片和设于外延片上的电极。
氮化镓基发光二极管外延片一般包括衬底以及依次层叠在衬底上的缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层。衬底用于为外延材料提供生长表面，缓冲层为外延材料的生长提供成核中心，N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，有源层用于进行电子和空穴的辐射复合发光。
目前量产氮化镓基发光二极管外延片的主要设备是金属有机化合物化学气相沉淀(英文：Metal Organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)系统。MOCVD系统包括源供给系统、气体输运系统、反应室和加热系统、尾气处理系统、安全保护及报警系统、手动和自动控制系统。其中，反应室由石英管和石墨基座组成。石墨基座上设有多个口袋(pocket)，多个口袋分布在以石墨基座的中心为圆心的多个同心圆上。将各个衬底分别放置在不同的口袋中，可以同时在各个衬底上依次生长缓冲层、N型半导体层、有源层和P型半导体层，形成外延片。
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：
衬底的材料通常选择蓝宝石，N型半导体层、有源层和P型半导体层的材料通常选择氮化镓基材料。蓝宝石和氮化镓基材料为异质材料，晶格常数差异较大，两者之间存在较大的晶格失配，晶格失配产生的应力和缺陷导致形成的外延片存在翘曲。
外延片的形成过程中会高速旋转石墨基座，口袋中的衬底受到离心力作用而向石墨基座的边缘偏移，导致衬底的边缘与石墨基座接触。口袋距离石墨基座的中心越远，口袋中的衬底受到的离心力越大，衬底与石墨基座的接触面积越大。由于外延生长的热能是通过石墨基座传递到衬底上的，因此衬底与石墨基座的接触面积越大，衬底的生长温度越高，衬底上形成的外延片的翘曲越明显。所以，石墨基座上同时形成的外延片的翘曲会存在差异，极大影响了各个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氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，能够解决现有技术采用石墨基座同时形成的各个外延片的翘曲存在差异的问题。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，所述生长方法包括：
提供至少两种设有氮化铝层的衬底，各种所述衬底上的氮化铝层的厚度不同；
提供一石墨基座，所述石墨基座上设有多个口袋，所述多个口袋分布在以所述石墨基座的中心为圆心的至少两个同心圆上；
在每个所述口袋中放置一个所述衬底，所述衬底上的氮化铝层朝向所述口袋的开口，分布在同一个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度相同，分布在所述至少两个同心圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度自所述至少两个同心圆的圆心沿所述至少两个同心圆的径向逐渐减少；
在每个所述口袋中放置的衬底上的氮化铝层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层，形成氮化镓基发光二极管外延片。
可选地，所述氮化铝层的厚度为20nm～40nm。
优选地，分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度之差为0nm～20nm。
可选地，所述提供至少两种设有氮化铝层的衬底，各种所述衬底上的氮化铝层的厚度不同，包括：
分别采用物理气相沉积技术在不同的衬底上形成不同厚度的氮化铝层。
可选地，所述氮化铝层中掺有氧元素，分布在同一个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度相同，分布在所述至少两个同心圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度自所述至少两个同心圆的圆心沿所述至少两个同心圆的径向逐渐减少。
优选地，所述提供至少两种设有氮化铝层的衬底，包括：
分别采用物理气相沉积技术在不同的衬底上形成掺杂不同浓度的氧元素的氮化铝层。
优选地，所述分别采用物理气相沉积技术在不同的衬底上形成掺杂不同浓度的氧元素的氮化铝层，包括：
在物理气相沉积反应室内设置铝靶；
依次将各个衬底放入所述物理气相沉积反应室，并在将衬底放入所述物理气相沉积反应室之后，向所述物理气相沉积反应室内通入氮气和氧气，利用经电场加速的离子轰击所述铝靶，在所述衬底上形成掺杂氧元素的氮化铝层，所述至少两种衬底上的氮化铝层形成时向所述物理气相沉积反应室内通入的氧气的流量不同。
更优选地，向所述物理气相沉积反应室内通入的氧气的流量为1sccm～5sccm。
进一步地，分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向所述物理气相沉积反应室内通入的氧气的流量之差为0sccm～2sccm。
可选地，向所述物理气相沉积反应室内通入的氮气的流量为50sccm～200sccm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在与石墨基座的中心之间距离不同的口袋中放置不同的衬底，不同的衬底上的氮化铝的厚度不同，再在各个口袋中的衬底上的氮化铝层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层形成外延片。氮化铝层的厚度不同，氮化铝层对衬底材料(主要成分为三氧化二铝)和氮化镓基材料之间晶格失配产生的应力和缺陷的影响会随之不同，外延片整体的翘曲程度存在差异，即氮化铝层的厚度与外延片的翘曲相关。由于氮化铝层的厚度越大，外延片的翘曲越明显，因此对于靠近石墨基座的中心的口袋中形成的外延片，较低的生长温度使得外延片的翘曲较小，此时采用厚度较大的氮化铝层形成外延片，又使得外延片的翘曲较大；同时对于靠近石墨基座的边缘的口袋中形成的外延片，较高的生长温度较高使得外延片的翘曲较大，此时采用厚度较小的氮化铝层形成外延片，又使得外延片的翘曲较小。在不同生长温度和不同厚度氮化铝层的综合作用下，与石墨基座的中心之间距离不同的口袋中形成的外延片的翘曲程度基本一致，即利用氮化铝层厚度的不同抵消与石墨基座的中心之间距离不同的口袋中形成的外延片之间的翘曲差异，使得石墨基座的所有口袋中形成的外延片的翘曲一致，改善各个外延片的波长均匀性，有利于波长命中率的提高。
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氮化镓基发光二极管外延片的生长方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的设有氮化铝层的衬底的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种石墨基座的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种石墨基座的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的衬底放入口袋中的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种氮化镓基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氮化镓基发光二极管外延片的生长方法。图1为本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法的流程图。参见图1，该生长方法包括：
步骤101：提供至少两种设有氮化铝层的衬底。
在本实施例中，各种衬底上的氮化铝层的厚度不同。
图2为本发明实施例提供的设有化铝层的衬底的结构示意图。其中，11表示衬底，12表示氮化铝层。参见图2，氮化铝层12设置在衬底11的一个表面上。
具体地，衬底可以为平片蓝宝石衬底，也可以为图形化蓝宝石衬底(英文：Patterned Sapphire Substrate，简称：PSS)。
可选地，氮化铝层的厚度可以为20nm～40nm，优选为30nm。实验证明，氮化铝层的厚度在20nm～40nm范围内，外延片整体的翘曲较小，氮化铝层的厚度小于20nm或者大于40nm，都会导致外延片的翘曲较大。
优选地，分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层(详见下文)的厚度之差可以为0nm～20nm，优选为10nm。如果分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度之差大于20nm，则可能由于分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度相差较大，一方面无法均匀平衡不同圆上的口袋中形成的外延片翘曲，另一方面也可能导致相邻两个圆上的口袋中形成的外延片翘曲相差较大，达不到平衡不同圆上的口袋中形成的外延片翘曲的效果。
具体地，该步骤101可以包括：
分别采用物理气相沉积(英文：Physical Vapor Deposition，简称：PVD)技术在不同的衬底上形成不同厚度的氮化铝层。
以提供三种衬底A、B和C为例，先采用PVD技术在至少一个未形成氮化铝层的衬底上形成厚度为a1的氮化铝层，得到第一种衬底A；再采用PVD技术在至少一个未形成氮化铝层的衬底上形成厚度为b1的氮化铝层，得到第二种衬底B；最后采用PVD技术在至少一个未形成氮化铝层的衬底上形成厚度为c1的氮化铝层，得到第三种衬底C。
通过分别采用PVD技术在不同衬底上形成氮化铝层，可以很容易地实现不同衬底上形成不同厚度的氮化铝层，实现方式巧妙、方便、实现容易、成本低廉。
在具体实现时，相同厚度的氮化铝层可以依次形成在不同的衬底上，也可以同时形成在不同的衬底上，本发明对此不作限制。当相同厚度的氮化铝层依次形成在不同的衬底上时，工艺较为简单，实现较为容易；当相同厚度的氮化铝层同时形成在不同的衬底上，生产效率较高。
可选地，氮化铝层中可以掺有氧元素，各种衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度可以不同。
相应地，提供至少两种设有氮化铝层的衬底，可以包括：
分别采用PVD技术在不同的衬底上形成掺杂不同浓度的氧元素的氮化铝层。
还是以提供三种衬底A、B和C为例，先采用PVD技术在至少一个未形成氮化铝层的衬底上形成厚度为a1且掺杂有浓度a2的氧元素的氮化铝层，得到第一种衬底A；再采用PVD技术在至少一个未形成氮化铝层的衬底上形成厚度为b1为掺杂有浓度b2的氧元素的氮化铝层，得到第二种衬底B；最后采用PVD技术在至少一个未形成氮化铝层的衬底上形成厚度为c1且掺杂有浓度c2的氧元素的氮化铝层，得到第三种衬底C。
通过分别采用PVD技术在不同衬底上形成掺杂氧元素的氮化铝层，可以很容易地实现不同衬底上形成的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度不同，实现方式巧妙、方便、实现容易、成本低廉。
可选地，分别采用PVD技术在不同的衬底上形成掺杂不同浓度的氧元素的氮化铝层，可以包括：
在PVD反应室内设置铝靶；
依次将各个衬底放入PVD反应室，并在将衬底放入PVD反应室之后，向PVD反应室内通入氮气和氧气，利用经电场加速的离子轰击铝靶，在衬底上形成掺杂氧元素的氮化铝层，至少两种衬底上的氮化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量不同。
还是以提供三种衬底A、B和C为例，首先在PVD反应室内设置铝靶；然后将至少一个未形成氮化铝层的衬底放入PVD反应室，向PVD反应室内通入氮气和流量为a’的氧气，利用经电场加速的离子轰击铝靶，在衬底上形成掺杂有浓度a的氧元素的氮化铝层，得到第一种衬底A；接着将第一种衬底A从PVD反应室内取出，将至少一个未形成氮化铝层的衬底放入PVD反应室，向PVD反应室内通入氮气和流量为b’的氧气，利用经电场加速的离子轰击铝靶，在衬底上形成掺杂有浓度b的氧元素的氮化铝层，得到第二种衬底B；最后将第二种衬底B从PVD反应室内取出，将至少一个未形成氮化铝层的衬底放入PVD反应室，向PVD反应室内通入氮气和流量为c’的氧气，利用经电场加速的离子轰击铝靶，在衬底上形成掺杂有浓度c的氧元素的氮化铝层，得到第三种衬底。
通过在形成氧元素掺杂浓度不同的氮化铝层时分别向PVD反应室内通入不同流量的氧气，即可改变形成的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度，从而实现氧元素掺杂浓度不同的氮化铝层的形成，实现方式巧妙、方便。而且掺杂各种浓度的氧元素的氮化铝层可以采用同一个PVD设备实现，实现容易、成本低廉。
在具体实现时，每次将至少一个未形成氮化铝层的衬底放入PVD反应室之后，会先对PVD反应室内进行抽真空度，如PVD反应室内的本底真空度为1×10-3Pa；再向PVD反应室内通入氮气和氧气，以避免PVD反应室内的杂质混入形成的氮化铝层中。
具体地，加速离子的电场功率为3000W～5000W，优选为4000W。
优选地，向PVD反应室内通入的氧气的流量可以为1sccm～5sccm。
如果向PVD反应室内通入的氧气的流量小于1sccm，则可能由于向PVD反应室内通入的氧气的流量较少而导致形成的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度较低，对外延片整体的翘曲影响较小，无法抵消外延片的翘曲差异；如果向PVD反应室内通入的氧气的流量大于5sccm，则可能由于向PVD反应室内通入的氧气的流量较多而导致形成的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度较高，严重影响外延片整体的翘曲，造成外延片内部的波长差异太大。
相应地，氮化铝层中氧元素的掺杂浓度可以为1018/cm3～1022/cm3。
进一步地，分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层(详见下文)形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量之差可以为0sccm～2sccm，优选为1sccm或2sccm。
如果分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氧化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量之差大于2sccm，可能由于分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气流量之差较大，使得分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氧化铝层中氧元素的掺杂浓度相差较大，分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上形成的外延片整体的翘曲相差较大，无法实现分布在不同圆上的口袋中放置的衬底上形成的外延片整体的翘曲一致。
具体地，向PVD反应室内通入的氮气的流量可以为50sccm～200sccm，优选为130sccm。
如果向PVD反应室内通入的氮气的流量小于50sccm，则可能由于向PVD反应室内通入的氮气的流量较少而造成形成的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度较高，进而造成外延片整体的翘曲太大，最终影响外延片内部的波长一致性；如果向PVD反应室内通入的氮气的流量大于200sccm，则可能由于向PVD反应室内通入的氮气的流量太多而影响到氧元素掺杂到氮化铝层中，无法抵消各个外延片的翘曲差异。
具体地，在衬底上形成掺杂氧元素的氮化铝层时PVD反应室的压力可以为4torr～6torr，优选为5torr，无需高压，实现方便。
具体地，在衬底上形成掺杂氧元素的氮化铝层时PVD反应室的温度可以为400℃～800℃，优选为600℃，无需高温，实现容易。
可选地，该生长方法还可以包括：
在将衬底放入物理气相沉积反应室之前，对衬底进行清洗。
通过预先对衬底进行清洗，可以避免衬底的杂质影响到外延片整体的质量。
具体地，对衬底进行清洗，可以包括：
使用酒精对基底进行超声清洗；
用去离子水将衬底冲洗干净。
采用上述方式清洗衬底，清洗效果较好。
步骤102：提供一石墨基座。
在本实施例中，石墨基座上设有多个口袋，多个口袋分布在以石墨基座的中心为圆心的至少两个同心圆上。
图3为本发明实施例提供的一种石墨基座(如Veeco的TurboDisk EPIK700系列的MOCVD中的石墨基座)的结构示意图，图4为本发明实施提供的另一种石墨基座(如中微的Prismo A7系列的MOCVD中的石墨基座)的结构示意图。其中，20表示石墨基座，21表示口袋。参见图3和图4，石墨基座20为圆柱体，石墨基座20的一个圆形表面上设有多个口袋21，多个口袋21均匀分布在以圆形表面的中心为圆形的三个同心圆上。具体地，图3所示的石墨基座20上一共设有31个口袋21，其中，编号为01～04的4个口袋21分布在内圆上，编号为05～14的10个口袋21分布在中圆上，编号为15～31的17个口袋21分布在外圆上；图4所示的石墨基座20上一共设有34个口袋21，其中，编号为01～05的5个口袋21分布在内圆上，编号为06～16的11个口袋21分布在中圆上，编号为17～34的18个口袋21分布在外圆上。需要说明的是，图3和图4所示的同心圆的数量、口袋的数量以及口袋的分布方式仅为举例，本发明并不限制于此。
步骤103：在每个口袋中放置一个衬底。
在本实施例中，衬底上的氮化铝层朝向口袋的开口，分布在同一个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度相同，分布在至少两个同心圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度自至少两个同心圆的圆心沿至少两个同心圆的径向逐渐减少。
进一步地，分布在同一个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度相同，分布在至少两个同心圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度自至少两个同心圆的圆心沿至少两个同心圆的径向逐渐减少。
图5为本发明实施例提供的衬底放入口袋中的结构示意图。参见图5，石墨基座20上设有口袋21，衬底11放置在口袋21内，衬底11上的氮化铝层12朝向口袋21的开口。
例如，石墨基座上的口袋分布在三个同心圆A’、B’、C’上，圆A’的直径小于圆B’的直径，圆B’的直径小于圆C’的直径。分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度为35nm，分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度为35nm，分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度为25nm，即分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度等于分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度，分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度大于分布在圆C’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度。
进一步地，分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量为3sccm，分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量为3sccm，分布在圆C’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量为1sccm，即分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度等于分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度，分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度大于分布在圆C’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度。
又如，石墨基座上的口袋分布在三个同心圆A’、B’、C’上，圆A’的直径小于圆B’的直径，圆B’的直径小于圆C’的直径。分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度为35nm，分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度为30nm，分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度为25nm，即分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度大于分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度，分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度大于分布在圆C’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度。
进一步地，分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量为5sccm，分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量为3sccm，分布在圆C’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向PVD反应室内通入的氧气的流量为1sccm，即分布在圆A’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度大于分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度，分布在圆B’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度大于分布在圆C’上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度。
步骤104：在每个口袋中放置的衬底上的氮化铝层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层，形成氮化镓基发光二极管外延片。
图6为本发明实施例提供的一种氮化镓基发光二极管外延片的结构示意图。其中，13表示N型半导体层，14表示有源层，15表示P型半导体层。参见图6，N型半导体层13、有源层14、P型半导体层15依次层叠在氮化铝层12上。
具体地，N型半导体层的材料可以采用N型掺杂(如硅)的氮化镓，P型半导体层的材料可以采用P型掺杂(如镁)的氮化镓；有源层可以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设置；量子阱的材料可以采用未掺杂的氮化铟镓，量子垒的材料可以采用未掺杂的氮化镓。
进一步地，N型半导体层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm；N型半导体层中N型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018cm-3～1019cm-3，优选为5×1018cm-3。量子阱的厚度可以为2nm～3nm，优选为2.5nm；量子垒的厚度可以为9nm～20nm，优选为15nm；量子阱的数量与量子垒的数量相同，量子垒的数量可以为5个～11个，优选为8个。P型半导体层的厚度可以为100nm～800nm，优选为450nm；P型半导体层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3，优选为1019/cm3。
具体地，该步骤104可以包括：
采用化学气相沉积(英文：Chemical Vapor Deposition，简称：CVD)技术在氮化铝层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层。
进一步地，采用CVD技术在氮化铝层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层，可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃(优选为1100℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在氮化铝层上生长N型半导体层；
在N型半导体层上生长有源层；其中，量子阱的生长温度为720℃～829℃(优选为770℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)；量子垒的生长温度为850℃～959℃(优选为900℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)；
控制温度为600℃～1000℃(优选为800℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在有源层上生长P型半导体层。
本发明实施例通过在与石墨基座的中心之间距离不同的口袋中放置不同的衬底，不同的衬底上的氮化铝的厚度不同，再在各个口袋中的衬底上的氮化铝层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层形成外延片。氮化铝层的厚度不同，氮化铝层对衬底材料(主要成分为三氧化二铝)和氮化镓基材料之间晶格失配产生的应力和缺陷的影响会随之不同，外延片整体的翘曲程度存在差异，即氮化铝层的厚度与外延片的翘曲相关。由于氮化铝层的厚度越大，外延片的翘曲越明显，因此对于靠近石墨基座的中心的口袋中形成的外延片，较低的生长温度使得外延片的翘曲较小，此时采用厚度较大的氮化铝层形成外延片，又使得外延片的翘曲较大；同时对于靠近石墨基座的边缘的口袋中形成的外延片，较高的生长温度较高使得外延片的翘曲较大，此时采用厚度较小的氮化铝层形成外延片，又使得外延片的翘曲较小。在不同生长温度和不同厚度氮化铝层的综合作用下，与石墨基座的中心之间距离不同的口袋中形成的外延片的翘曲程度基本一致，即利用氮化铝层厚度的不同抵消与石墨基座的中心之间距离不同的口袋中形成的外延片之间的翘曲差异，使得石墨基座的所有口袋中形成的外延片的翘曲一致，改善各个外延片的波长均匀性，有利于波长命中率的提高。
进而在不同种衬底上的氮化铝层中掺杂不同浓度的氧元素。氮化铝层中氧元素的掺杂浓度不同，氮化铝层的晶格常数会随之不同，氮化铝层对衬底材料(主要成分为氧化铝)和外延材料(主要成分为氮化镓)之间的晶格失配的作用效果也会不同，最终使得外延片整体的翘曲程度不同，即氮化铝层中氧元素的掺杂浓度也与外延片的翘曲相关。由于氮化铝层中氧元素的掺杂浓度越高，外延片的翘曲越明显，因此对于靠近石墨基座的中心的口袋中形成的外延片，采用氧元素掺杂浓度高的氮化铝层形成外延片，同时对于靠近石墨基座的边缘的口袋中形成的翘曲大的外延片，采用氧元素掺杂浓度低的氮化铝层形成外延片，利用氮化铝层中氧元素的掺杂浓度和氮化铝层的厚度配合，抵消与石墨基座的中心之间距离不同的口袋中形成的外延片之间的翘曲差异，使得石墨基座的所有口袋中形成的外延片的翘曲一致，改善各个外延片的波长均匀性，有利于波长命中率的提高。
可选地，在N型半导体层生长之前，该生长方法还可以包括：
在氮化铝层上生长未掺杂氮化镓层。
相应地，N型半导体层生长在未掺杂氮化镓层上。
通过设置未掺杂氮化镓层进一步缓解衬底和N型半导体层之间的晶格失配。
在具体实现中，先在氮化铝层上进行氮化镓的纵向生长，会形成多个相互独立的三维岛状结构，称为三维成核层；然后在所有三维岛状结构上和各个三维岛状结构之间进行氮化镓的横向生长，形成二维平面结构，称为二维恢复层；最后在二维生长层上高温生长一层较厚的氮化镓，称为本征氮化镓层。本实施例中将三维成核层、二维恢复层和本征氮化镓层统称为未掺杂氮化镓层。
进一步地，高温缓冲层的厚度可以为1μm～5μm，优选为3μm。
具体地，在氮化铝层上生长未掺杂氮化镓层，可以包括：
控制温度为1000℃～1100℃(优选为1050℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在氮化铝层上生长未掺杂氮化镓层。
可选地，在有源层生长之前，该生长方法还可以包括：
在N型半导体层上生长应力释放层。
相应地，有源层生长在应力释放层上。
通过设置应力释放层对蓝宝石和氮化镓之间晶格失配产生的应力进行释放，提高有源层的晶体质量，有利于电子和空穴在有源层进行辐射复合发光，提高LED的内量子效率，进而提高LED的发光效率。
具体地，应力释放层可以包括多个氮化铟镓层和多个氮化镓层，多个氮化铟镓层和多个氮化镓层交替层叠设置。
进一步地，应力释放层中氮化铟镓层的厚度可以为1nm～3nm，优选为2nm；氮化镓层的厚度可以为20nm～40nm，优选为30nm；氮化铟镓层的数量与氮化镓层的数量相同，氮化镓层的数量可以为3个～9个，优选为6个。
具体地，在N型半导体层上生长应力释放层，可以包括：
控制温度为800℃～1100℃(优选为950℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在N型半导体层上生长应力释放层。
可选地，在P型半导体层生长之前，该生长方法还可以包括：
在有源层上生长电子阻挡层。
相应地，P型半导体层生长在电子阻挡层上。
通过设置电子阻挡层避免电子跃迁到P型半导体层中与空穴进行非辐射复合，降低LED的发光效率。
具体地，电子阻挡层的材料可以采用P型掺杂的氮化铝镓(AlGaN)，如AlyGa1-yN，0.1＜y＜0.5。
进一步地，电子阻挡层的厚度可以为20nm～100nm，优选为60nm。
具体地，在有源层上生长电子阻挡层，可以包括：
控制温度为200℃～1000℃(优选为600℃)，压力为50torr～500torr(优选为300torr)，在有源层上生长电子阻挡层。
优选地，在电子阻挡层生长之前，该生长方法还可以包括：
在有源层上生长低温P型层。
相应地，电子阻挡层生长在低温P型层上。
通过设置低温P型层避免电子阻挡层较高的生长温度造成有源层中的铟原子析出，影响发光二极管的发光效率。
具体地，低温P型层的材料可以为P型掺杂的氮化镓。
进一步地，低温P型层的厚度可以为30nm～50nm，优选为40nm；低温P型层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1020/cm3～1021/cm3，优选为5×1020/cm3。
具体地，在有源层上生长低温P型层，可以包括：
控制温度为750℃～850℃(优选为800℃)，压力为100torr～500torr(优选为300torr)，在有源层上生长低温P型层。
可选地，在P型半导体层生长之后，该生长方法还可以包括：
在P型半导体层上生长接触层。
具体地，接触层的材料可以采用P型掺杂的氮化铟镓。
进一步地，接触层的厚度可以为5nm～300nm，优选为150nm；接触层中P型掺杂剂的掺杂浓度可以为1021/cm3～1022/cm3，优选为6×1021/cm3。
具体地，在P型半导体层上生长接触层，可以包括：
控制温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在P型半导体层上生长接触层。
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)

1.一种氮化镓基发光二极管外延片的生长方法，其特征在于，所述生长方法包括：
提供至少两种设有氮化铝层的衬底，各种所述衬底上的氮化铝层的厚度不同；
提供一石墨基座，所述石墨基座上设有多个口袋，所述多个口袋分布在以所述石墨基座的中心为圆心的至少两个同心圆上；
在每个所述口袋中放置一个所述衬底，所述衬底上的氮化铝层朝向所述口袋的开口，分布在同一个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度相同，分布在所述至少两个同心圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度自所述至少两个同心圆的圆心沿所述至少两个同心圆的径向逐渐减少；
在每个所述口袋中放置的衬底上的氮化铝层上依次生长N型半导体层、有源层和P型半导体层，形成氮化镓基发光二极管外延片。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述氮化铝层的厚度为20nm～40nm。
3.根据权利要求2所述的生长方法，其特征在于，分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层的厚度之差为0nm～20nm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的生长方法，其特征在于，所述提供至少两种设有氮化铝层的衬底，各种所述衬底上的氮化铝层的厚度不同，包括：
分别采用物理气相沉积技术在不同的衬底上形成不同厚度的氮化铝层。
5.根据权利要求1～3任一项所述的生长方法，其特征在于，所述氮化铝层中掺有氧元素，分布在同一个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度相同，分布在所述至少两个同心圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层中氧元素的掺杂浓度自所述至少两个同心圆的圆心沿所述至少两个同心圆的径向逐渐减少。
6.根据权利要求5所述的生长方法，其特征在于，所述提供至少两种设有氮化铝层的衬底，包括：
分别采用物理气相沉积技术在不同的衬底上形成掺杂不同浓度的氧元素的氮化铝层。
7.根据权利要求6所述的生长方法，其特征在于，所述分别采用物理气相沉积技术在不同的衬底上形成掺杂不同浓度的氧元素的氮化铝层，包括：
在物理气相沉积反应室内设置铝靶；
依次将各个衬底放入所述物理气相沉积反应室，并在将衬底放入所述物理气相沉积反应室之后，向所述物理气相沉积反应室内通入氮气和氧气，利用经电场加速的离子轰击所述铝靶，在所述衬底上形成掺杂氧元素的氮化铝层，所述至少两种衬底上的氮化铝层形成时向所述物理气相沉积反应室内通入的氧气的流量不同。
8.根据权利要求7所述的生长方法，其特征在于，向所述物理气相沉积反应室内通入的氧气的流量为1sccm～5sccm。
9.根据权利要求8所述的生长方法，其特征在于，分布在相邻两个圆上的口袋中放置的衬底上的氮化铝层形成时向所述物理气相沉积反应室内通入的氧气的流量之差为0sccm～2sccm。
10.根据权利要求7～9任一项所述的生长方法，其特征在于，向所述物理气相沉积反应室内通入的氮气的流量为50sccm～200sccm。
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