CN109671824A - 一种发光二极管的外延片的制备方法 - Google Patents

一种发光二极管的外延片的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管的外延片的制备方法，属于发光二极管制造领域。将多个生长有AlN层的衬底摆放至MOCVD设备内分布在多个同心圆上的圆形凹槽内，控制AlN层上生长的GaN成核层的厚度随同心圆的直径的增大而减小。随同心圆的直径的增大，GaN成核层的厚度逐渐减小，圆形凹槽内的GaN成核层的的表面会由朝向圆心凹槽底面凹陷的状态变化至背离圆心凹槽底面向上凸起的状态，这种变化趋势与衬底表面出现的翘曲的变化趋势相反，因此GaN成核层的表面均较为完整，GaN成核层的表面翘曲与衬底表面的翘曲相互抵消，传递到InGaN/GaN多量子阱层的热量较为均匀，提高了InGaN/GaN多量子阱层发光波长的均匀性，进而可提高同批次得到的外延片的发光合格率。

Description

一种发光二极管的外延片的制备方法
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的外延片的制备方法。
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。其中，外延层的结构主要包括：依次生长在衬底上的AlN层、GaN成核层、未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P型GaN层。
当前的外延层在生长时，通常会使用金属有机化合物化学气相沉积(英文：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备进行生长。金属有机化合物化学气相沉积设备至少包括设置在反应腔内的可转动的转盘，转盘上的多个圆形凹槽分布在多个同心圆上，同心圆的圆心为转盘的转动中心。在需要制备外延片时，将衬底放置在圆形凹槽内，金属有机化合物化学气相沉积设备控制转盘转动，使携带气相分子的气流与衬底表面相互作用，进而在衬底上沉积外延层。而每圈的圆形凹槽内的衬底受到的离心力的大小不同，会导致直径较小的同心圆上的衬底表面背离圆形凹槽的底面向上凸起，直径较大的同心圆上的衬底表面朝向圆心凹槽的底面向下凹陷，转盘上的衬底出现不同程度的翘曲。又由于衬底与外延层上的翘曲会使传递到InGaN/GaN多量子阱层的热量不均匀，影响InGaN/GaN多量子阱层中In的分布，进而影响了InGaN/GaN多量子阱层发光波长的均匀性，因此这种设置最终会使得同批次得到的外延片中InGaN/GaN多量子阱层发光的均匀性差异较大，影响同批次得到的外延片的发光合格率。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，能够提高同批次得到的外延片的发光合格率。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：
提供多个衬底；
通过物理气相沉积PVD在所述衬底上沉积AlN层；
将所述多个衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备内，所述MOCVD设备包括反应腔、放置在所述反应腔内的可转动的转盘，所述转盘上设置有用于放置所述衬底的多个圆形凹槽，所述多个圆形凹槽分布在多个同心圆上；
在所述AlN层上生长GaN成核层，所述多个圆形凹槽内的GaN成核层的厚度随所述同心圆的直径的增大而减小；
在所述GaN成核层上依次生长未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P型GaN层。
可选地，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的GaN成核层的厚度之差的绝对值均相等。
可选地，所述厚度之差的绝对值为5～10nm。
可选地，所述在所述AlN层上生长GaN成核层包括：
在所述AlN层上依次生长第一GaN成核子层、第二GaN成核子层，所述第一GaN成核子层的生长温度为800～1100℃，所述第二GaN成核子层的生长温度为1200～1800℃。
可选地，所述第一GaN成核子层的厚度为1～20nm，所述第二GaN成核子层的厚度为50～100nm。
可选地，所述多个圆形凹槽内的第一GaN成核子层的厚度随所述同心圆的直径的增大而减小，所述多个圆形凹槽内的第二GaN成核子层的厚度随所述同心圆的直径的增大而减小。
可选地，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的第一GaN成核子层的厚度之差的绝对值均相等，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的第二GaN成核子层的厚度之差的绝对值均相等。
可选地，所述GaN成核层的厚度为10～50nm。
可选地，所述通过物理气相沉积PVD在所述衬底上沉积AlN层包括：在所述通过磁控溅射衬底上沉积AlN层。
可选地，所述AlN层的厚度为10～50nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：在多个衬底上通过物理气相沉积AlN层，将多个衬底摆放至MOCVD设备的转盘上分布在多个同心圆上的圆形凹槽内，并控制AlN层上生长的GaN成核层的厚度随同心圆的直径的增大而减小。而在GaN成核层生长时，随GaN成核层的厚度的减小，GaN成核层的表面会由朝向圆心凹槽底面凹陷的状态变化至背离圆心凹槽底面向上凸起的状态，因此随同心圆的直径的增大，圆形凹槽内的GaN成核层的的表面会由朝向圆心凹槽底面凹陷的状态变化至背离圆心凹槽底面向上凸起的状态，这种变化趋势与衬底表面出现的翘曲的变化趋势相反，因此GaN成核层的表面均较为完整，GaN成核层的表面翘曲与衬底表面的翘曲相互抵消，传递到InGaN/GaN多量子阱层的热量较为均匀，提高了InGaN/GaN多量子阱层发光波长的均匀性，进而可提高同批次得到的外延片的发光合格率。
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转盘的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；
图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的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。
为便于理解本发明，此处提供MOCVD设备的转盘的结构，图1是本发明实施例提供的转盘的结构示意图，如图1所示，转盘10上设置有多个圆形凹槽101，多个圆形凹槽101分布在多个同心圆102上。此处需要说明的是，同心圆102的圆心为转盘10的转动中心A，转盘10上的圆形凹槽101均设置在转盘10朝向MOCVD设备的气流的一侧。
其中，转盘可通过驱动轴进行驱动，本发明对此不做限制。在本发明实施例中，同心圆的数量可为3。
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图2所示，该制备方法包括：
S101：提供多个衬底。
S102：通过物理气相沉积PVD在衬底上沉积AlN层。
S103：将多个衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备内，MOCVD设备包括反应腔、放置在反应腔内的可转动的转盘，转盘上设置有用于放置衬底的多个圆形凹槽，多个圆形凹槽分布在多个同心圆上。
S104：在AlN层上生长GaN成核层，多个圆心凹槽内的GaN成核层的厚度随同心圆的直径的增大而减小。
S105：在GaN成核层上依次生长未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P型GaN层。
在多个衬底上通过物理气相沉积AlN层，将多个衬底摆放至MOCVD设备的转盘上分布在多个同心圆上的圆形凹槽内，并控制AlN层上生长的GaN成核层的厚度随同心圆的直径的增大而减小。而在GaN成核层生长时，随GaN成核层的厚度的减小，GaN成核层的表面会由朝向圆心凹槽底面凹陷的状态变化至背离圆心凹槽底面向上凸起的状态，因此随同心圆的直径的增大，圆形凹槽内的GaN成核层的的表面会由朝向圆心凹槽底面凹陷的状态变化至背离圆心凹槽底面向上凸起的状态，这种变化趋势与衬底表面出现的翘曲的变化趋势相反，因此GaN成核层的表面均较为完整，GaN成核层的表面翘曲与衬底表面的翘曲相互抵消，传递到InGaN/GaN多量子阱层的热量较为均匀，提高了InGaN/GaN多量子阱层发光波长的均匀性，进而可提高同批次得到的外延片的发光合格率。
同时，这种方式生长得到的GaN成核层的表面较为平整，能够提高在GaN成核层上生长的未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P型GaN层的质量，进而提高发光二极管的发光效率，而物理气相沉积得到的AlN层的表面也较为平整，可进一步提高AlN层之后生长的外延薄膜的晶体质量，提高发光二极管的发光效率。
在本发明实施例中，翘曲是指物件的表面的扭曲，翘曲程度越大，物件表面的扭曲越大。
图3是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的制备方法流程图，如图3所示，该制备方法包括：
S201：提供多个衬底。
S202：通过物理气相沉积PVD在衬底上沉积AlN层。
其中，通过磁控溅射在衬底上沉积AlN层。这种方式较为容易实现，且得到的AlN层的质量较好，有利于后续外延薄膜的生长。
可选地，AlN层的厚度为10～50nm。AlN层的厚度在以上范围时，可保证后续生长的GaN成核层的表面质量较好，有利于外延片整体翘曲程度的减小。
示例性地，AlN层的温度可为400～650℃，AlN层的压力可为4～5Torr。在这种条件下生长得到的AlN层的质量较好。
S203：将多个衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备内，MOCVD设备包括反应腔、放置在反应腔内的可转动的转盘，转盘上设置有用于放置衬底的多个圆形凹槽，多个圆形凹槽分布在多个同心圆上。
S204：在AlN层上生长GaN成核层，多个圆形凹槽内的GaN成核层的厚度随同心圆的直径的增大而减小。
步骤S204中，可通过控制MOCVD设备内的气流的转动方向以实现不同同心圆上圆形凹槽内的GaN成核层的生长。
可选地，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的GaN成核层的厚度之差的绝对值均相等。这种设置能够减小最终得到的外延片的翘曲程度，有利于提高发光二极管的发光效率。
进一步地，两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的GaN成核层的厚度之差的绝对值可为5～10nm。两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的GaN成核层的厚度之差在以上范围内时，有利于减小最终得到的外延片的翘曲程度，有利于提高发光二极管的发光效率。
示例性地，步骤S204可包括：在AlN层上依次生长第一GaN成核子层、第二GaN成核子层，第一GaN成核子层的生长温度为800～1100℃，第二GaN成核子层的生长温度为1200～1800℃。这种设置可对外延片的翘曲程度起到一定的改善作用，有利于提高发光二极管的发光均匀度。
其中，第一GaN成核子层的厚度可为1～20nm，第二GaN成核子层的厚度可为50～100nm。第一GaN成核子层与第二GaN成核子层的厚度在以上范围内时，发光二极管的发光均匀度有较大的提高。
在本发明实施例提供的一种情况中，随同心圆的直径的增大，同心圆上的圆心凹槽内的第一GaN成核子层上午厚度可依次为15nm、12nm、10nm，发光二极管的发光均匀度的提升较大。
可选地，多个圆形凹槽内的第一GaN成核子层的厚度随同心圆的直径的增大而减小，多个圆形凹槽内的第二GaN成核子层的厚度随同心圆的直径的增大而减小。这种生长方式对外延片的翘曲程度的调节效果更好，对发光二极管的发光均匀度的提高也较大。
优选地，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的第一GaN成核子层的厚度之差的绝对值均相等，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的第二GaN成核子层的厚度之差的绝对值均相等。这种设置能够减小最终得到的外延片的翘曲程度，有利于提高发光二极管的发光效率。
示例性地，GaN成核层的厚度可为10～50nm。此时可较好地提高发光二极管的发光均匀度。
S205：在GaN成核层上依次生长未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层、电子阻挡层及P型GaN层。
其中，电子阻挡层可为P型AlyGa1-yN电子阻挡层，其中0.1<y<0.5。
执行完步骤S205之后的外延片的结构可如图4所示，图4是本发明实施例提供的另一种发光二极管的外延片的结构示意图，如图4所示，外延片包括衬底1与依次层叠在衬底1上的AlN层2、GaN成核层3、N型GaN层4、InGaN/GaN多量子阱层5、电子阻挡层6及P型GaN层7。GaN成核层3包括第一GaN成核子层31与第二GaN成核子层32。
在本发明实施例中，可采用美国Veeco公司的TurboDisk EPIK700系列和中微半导体设备有限公司的Prismo A7系列的化学气相沉积设备制备外延片。在本发明实施例提供的其他情况中，也可采用其他设备实现外延片的制备，本发明对此不做限制。
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)

1.一种发光二极管的外延片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供多个衬底；
通过物理气相沉积PVD在所述衬底上沉积AlN层；
将所述多个衬底放置在金属有机化合物化学气相沉积MOCVD设备内，所述MOCVD设备包括反应腔、放置在所述反应腔内的可转动的转盘，所述转盘上设置有用于放置所述衬底的多个圆形凹槽，所述多个圆形凹槽分布在多个同心圆上；
在所述AlN层上生长GaN成核层，所述多个圆形凹槽内的GaN成核层的厚度随所述同心圆的直径的增大而减小；
在所述GaN成核层上依次生长未掺杂的GaN层、N型GaN层、InGaN/GaN多量子阱层及P型GaN层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的GaN成核层的厚度之差的绝对值均相等。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述厚度之差的绝对值为5～10nm。
4.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述在所述AlN层上生长GaN成核层包括：
在所述AlN层上依次生长第一GaN成核子层、第二GaN成核子层，所述第一GaN成核子层的生长温度为800～1100℃，所述第二GaN成核子层的生长温度为1200～1800℃。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述第一GaN成核子层的厚度为1～20nm，所述第二GaN成核子层的厚度为50～100nm。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述多个圆形凹槽内的第一GaN成核子层的厚度随所述同心圆的直径的增大而减小，所述多个圆形凹槽内的第二GaN成核子层的厚度随所述同心圆的直径的增大而减小。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的第一GaN成核子层的厚度之差的绝对值均相等，每两个相邻的同心圆上的圆形凹槽内的第二GaN成核子层的厚度之差的绝对值均相等。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述GaN成核层的厚度为10～50nm。
9.根据权利要求1～3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述通过物理气相沉积PVD在所述衬底上沉积AlN层包括：在所述通过磁控溅射衬底上沉积AlN层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述AlN层的厚度为10～50nm。
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