CN109873058A - 图形化衬底及图形化衬底和发光二极管外延片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图形化衬底及图形化衬底和发光二极管外延片的制造方法，属于半导体技术领域。所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的平面呈平坦状态。本发明提供的图形化衬底其相邻凸起结构之间的平面的边缘不会产生凹坑，相邻的凸起结构之间不会产生凹坑和凸起，因此，可以改善在其上生长的外延层的翘曲情况，提高外延片的晶体质量，达到提高产品良率和亮度的效果。

Description

图形化衬底及图形化衬底和发光二极管外延片的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种图形化衬底及图形化衬底和发光二极管外延片的制造方法。

背景技术

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)是一种能发光的半导体电子元件。LED具有长寿、节能、环保、可靠性高等优点，近年来在大屏幕彩色显示、交通信号灯和照明等领域发挥了越来越重要的作用。

LED外延片是LED内部的晶片生产的原材料。现有的LED外延片通常包括蓝宝石衬底、以及依次生长在蓝宝石衬底上的未掺杂GaN层、N型GaN层、有源层和P型GaN层。其中，蓝宝石衬底通常进行图案化处理(在蓝宝石衬底上，制备具有周期性结构的图案)，图案化后的蓝宝石衬底可以使外延材料中向上延伸的位错减少，从而使得LED的内量子效率增加。

发明内容

本发明实施例提供了一种图形化衬底及图形化衬底和发光二极管外延片的制造方法，可以改善外延生长过程中外延层的翘曲情况，提高外延片的晶体质量，所述技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种图形化衬底，所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的平面呈平坦状态。

第二方面，本发明提供了一种图形化衬底的制造方法，所述制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上制作具有所需图案的掩膜；

在所述衬底上制作具有所需图案的掩膜；

将具有所述掩膜的衬底放入等离子体刻蚀机的反应室内的载台上；

将所述等离子体刻蚀机内第一电场的功率设定为1000～1300W，所述等离子体刻蚀机内第二电场的功率设定为0～1500W，所述载台温度设置为24～38℃；

向所述反应室内通入所述三氯化硼气体和氯气的混合气体，所述混合气体在所述第一电场的作用下进行辉光放电产生等离子体，所述等离子体在所述第二电场的作用下轰击所述衬底的未设置有所述掩膜的部分，使所述掩膜的图案转移到所述衬底上；

去除所述掩膜，得到图形化衬底，所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的平面呈平坦状态。

进一步地，所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的间距为L，3um≤L≤3.6um。

进一步地，所述凸起结构在所述本体表面上的正投影为圆形或者其他图形，所述圆形或者所述其他图形的外接圆的直径为d，2.0um≤d≤3.5um。

进一步地，每个所述凸起结构的高度为h，1.0um≤h≤1.9um。

第三方面，本发明提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上制作具有所需图形的掩膜；

将具有所述掩膜的衬底放入等离子体刻蚀机的反应室内的载台上；

将所述等离子体刻蚀机内第一电场的功率设定为1000～1300W，所述等离子体刻蚀机内第二电场的功率设定为0～1500W，所述载台温度设置为24～38℃；

向所述反应室内通入所述三氯化硼气体和氯气的混合气体，所述混合气体在所述第一电场的作用下进行辉光放电产生等离子体，所述等离子体在所述第二电场的作用下轰击所述衬底的未设置有所述掩膜的部分，使所述掩膜的图案转移到所述衬底上；

去除所述掩膜，得到图形化衬底，所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的平面呈平坦状态；

在所述图形化衬底的形成有所述凸起结构的一面上依次生长未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层。

进一步地，所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的间距为L，3um≤L≤3.6um。

进一步地，所述凸起结构在所述本体表面上的正投影为圆形或者其他图形，所述圆形或者所述其他图形的外接圆的直径为d，2.0um≤d≤3.5um。

进一步地，在所述发光二极管外延片的生长方向上，每个所述凸起结构的高度为h，1.0um≤h≤1.9um。

进一步地，在生长所述未掺杂的GaN层之前，所述制造方法还包括：

将所述衬底放置在石墨盘上并对所述衬底进行加热，加热温度为1060℃，加热时间为5min。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过提供一种图形化衬底，该图形化衬底包括本体和设置在本体表面上的多个凸起结构，且相邻的凸起结构之间的平面呈平坦状态，即相邻凸起结构之间的平面的边缘不会产生凹坑，相邻的凸起结构之间不会产生凹坑和凸起，因此，可以改善在其上生长的外延层的翘曲情况，提高外延片的晶体质量，达到提高产品良率和亮度的效果。

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和图2是采用现有的图案化处理方法制成的图形化衬底的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种图形化衬底的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种图形化衬底的制造方法流程图；

图5是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图。

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和图2是采用现有的图案化处理方法制成的图形化衬底的结构示意图。在现有的图案化处理方法中，等离子体刻蚀机内第一电场的功率设定为1400～1800W，第二电场的功率设定为0～1500W，载台温度设置为40℃。其中，第一电场的作用是为辉光放电产生等离子体提供能量，第二电场的作用是为等离子体轰击衬底提供能量。

采用现有的图案化处理方法得到的图形化衬底的相邻凸起结构之间的平面会出现不平坦。如图1所示，该图形化衬底的相邻凸起结构100之间的平面110的边缘会产生凹坑110a，如图2所示，该图形化衬底的相邻的凸起结构200之间会产生凸起或凹坑(图示为凸起210)。在采用图1和图2所示的两种图形化衬底生长外延片时，外延片翘曲变大，且凸起结构之间的平面存在不平坦程度越大造成后续外延片翘曲变大的可能性就越大。然而，目前各外延生产厂家在制作外延片时，并未注意到凸起结构之间的平面不平坦的图形化衬底对外延片质量产生的影响。

图3是本发明实施例提供的一种图形化衬底的结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供的图形化衬底包括本体310和设置在本体310表面上的多个凸起结构320，相邻的凸起结构320之间的平面呈平坦状态(即不存在图1中的凹坑和图2中的凸起)。

本发明实施例通过提供一种图形化衬底，该图形化衬底包括本体和设置在本体表面上的多个凸起结构，且相邻的凸起结构之间的平面呈平坦状态，即相邻凸起结构之间的平面的边缘不会产生凹坑，相邻的凸起结构之间不会产生凹坑和凸起，因此，可以改善在其上生长的外延层的翘曲情况，提高外延片的晶体质量，达到提高产品良率和亮度的效果。

图4是本发明实施例提供的一种图形化衬底的制造方法流程图，用于制造如图3所示的图形化衬底，如图4所示，该制造方法包括：

步骤401、提供一衬底。

在本实施例中，衬底可以为蓝宝石衬底。

步骤402、在衬底上制作具有所需图形的掩膜。

其中，所需图形的掩膜是指与最终形成的衬底的图形相匹配的掩膜，例如该掩膜会将最终形成凸起结构的部分遮挡起来，而露出其他部分。当然，上述掩膜的形状仅为示例，在实际中也可以其他方式。

步骤403、将具有掩膜的衬底放入等离子体刻蚀机的反应室内的载台上。

步骤404、将等离子体刻蚀机内第一电场的功率设定为1000～1300W，等离子体刻蚀机内第二电场的功率设定为0～1500W，载台温度设置为24～38℃。

示例性地，第一电场的功率可以设定为1200W，载台温度可以设置为28℃。第二电场的功率可以设定为400～800W。

步骤405、向反应室内通入三氯化硼气体和氯气的混合气体。

其中，混合气体在第一电场的作用下进行辉光放电产生等离子体，等离子体在第二电场的作用下轰击衬底的未设置有掩膜的部分，使掩膜的图案转移到衬底上。

步骤406、去除掩膜，得到图形化衬底。

采用本发明实施例提供的制造方法，得到的图形化衬底包括本体和设置在本体表面上的多个凸起结构，相邻的凸起结构之间的平面呈平坦状态。

具体地，相邻的凸起结构之间的间距为L，3um≤L≤3.6um。

优选地，在本实施例中，相邻的凸起结构之间的间距为L＝3um。

进一步地，凸起结构在衬底表面的正投影为圆形或者其他图形，该圆形或者其他图形的外接圆的直径为d，2.0um≤d≤3.5um。

具体地，凸起结构在衬底表面的正投影可以为正方形、长方形、椭圆形等其他形状的图形。每个凸起结构在衬底表面的正投影的图形的外接圆的直径d可以相同或不同，但需满足2.0um≤d≤3.5um。

进一步地，每个凸起结构的高度为h，1.0um≤h≤1.9um。

具体地，每个凸起结构的高度可能会不同，但需满足1.0um≤h≤1.9um。

在干法刻蚀过程中，BCl₃/Cl₂混合气体进入刻蚀设备的反应腔后，混合气体在第一电场作用下进行辉光放电产生等离子体，即混合气体会被分解成各种中性粒子、电子、活性自由基(Cl、BCl)、带正电的离子(Cl₂ ⁺、Cl⁺、BCl₂ ⁺)、带负电的离子(Cl^-)。本发明通过将第一电场的功率设置为1000～1300W，可以使得混合气体分解产生的带正电的离子(Cl₂ ⁺、BCl₂ ⁺)更多，从而可以加强带正电的离子对衬底的轰击作用，同时将载台温度设置为24～38℃，可得衬底底部平坦的大底宽图形衬底，以此来改善外延生长过程中外延层的翘曲情况，从而提高外延片的晶体质量，达到提高产品良率和亮度的效果。

图5是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图5所示，该制造方法包括：

步骤501、提供一衬底。

具体地，衬底可以为蓝宝石。

步骤502、在衬底上制作具有所需图形的掩膜。

其中，所需图形的掩膜是指与最终形成的衬底的图形相匹配的掩膜，例如该掩膜会将最终形成凸起结构的部分遮挡起来，而露出其他部分。当然，上述掩膜的形状仅为示例，在实际中也可以其他方式。

步骤503、将具有掩膜的衬底放入等离子体刻蚀机的反应室内的载台上。

步骤504、将等离子体刻蚀机内第一电场的功率设定为1000～1300W，等离子体刻蚀机内第二电场的功率设定为0～1500W，载台温度设置为24～38℃。

示例性地，第一电场的功率可以设定为1200W，载台温度可以设置为28℃。第二电场的功率可以设定为400～800W。

步骤505、向反应室内通入三氯化硼气体和氯气的混合气体。

其中，混合气体在第一电场的作用下进行辉光放电产生等离子体，等离子体在第二电场的作用下轰击衬底的未设置有掩膜的部分，使掩膜的图案转移到衬底上。

步骤506、去除掩膜，得到图形化衬底。

在干法刻蚀过程中，BCl₃/Cl₂混合气体进入刻蚀设备的反应腔后，混合气体在第一电场作用下进行辉光放电产生等离子体，即混合气体会被分解成各种中性粒子、电子、活性自由基(Cl、BCl)、带正电的离子(Cl₂ ⁺、Cl⁺、BCl₂ ⁺)、带负电的离子(Cl^-)。本发明通过将第一电场的功率设置为1000～1300W，可以使得混合气体分解产生的带正电的离子(Cl₂ ⁺、BCl₂ ⁺)更多，从而可以加强带正电的离子对衬底的轰击作用，同时将载台温度设置为24～38℃，可得衬底底部平坦的大底宽图形衬底，以此来改善外延生长过程中外延层的翘曲情况，从而提高外延片的晶体质量，达到提高产品良率和亮度的效果。

具体地，采用本发明实施例提供的制造方法，得到的图形化衬底包括本体和设置在本体表面上的多个凸起结构，相邻的凸起结构之间的平面呈平坦状态。

具体地，相邻的凸起结构之间的间距为L，3um≤L≤3.6um。

优选地，在本实施例中，相邻的凸起结构之间的间距为L＝3um。

进一步地，凸起结构在衬底表面的正投影为圆形或者其他图形，该圆形或者其他图形的外接圆的直径为d，2.0um≤d≤3.5um。

具体地，凸起结构在衬底表面的正投影可以为正方形、长方形、椭圆形等其他形状的图形。每个凸起结构在衬底表面的正投影的图形的外接圆的直径d可以相同或不同，但需满足2.0um≤d≤3.5um。

进一步地，每个凸起结构的高度为h，1.0um≤h≤1.9um。

具体地，每个凸起结构的高度可能会不同，但需满足1.0um≤h≤1.9um。

步骤507、在图形化衬底的形成有凸起结构的一面上依次生长未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层。

其中，N型层可以为掺Si的GaN层，有源层可以为交替生长的In_yGa_1-yN(0.2<x<0.5)势阱层和GaN势垒层。

在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 MOCVD(Metal Organic Chemical VaporDeposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现LED的生长方法。采用高纯H₂(氢气)或高纯N₂(氮气)或高纯H₂和高纯N₂的混合气体作为载气，高纯NH₃作为N源，三甲基镓(TMGa)及三乙基镓(TEGa)作为镓源，三甲基铟(TMIn)作为铟源，硅烷(SiH4)作为N型掺杂剂，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP₂Mg)作为P型掺杂剂。

需要说明的是，本实施例提供的制造方法是采用MOCVD法在MOCVD反应腔中进行的。在其它实施例中，也采用其它方法和/或其它反应腔实现本发明提供的发光二极管外延片的制造方法。

进一步地，在执行步骤507之前，该制造方法还可以包括：

将图形化衬底放置在石墨盘上并送入MOCVD反应腔中加热，加热温度为1060℃，加热时间为5min，以去除杂质。

具体地，在本发明的其它实施例中，还可以将图形化衬底放置在石墨盘上并送入其它反应腔中加热。

具体地，步骤507可以包括：

控制反应室温度为1000～1100℃，反应室压力为100～500torr，生长1～5um的未掺杂的GaN层。

控制反应室温度为950～1150℃，反应室压力为100～400torr，生长1.5～3.5um的N型层，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为400～5000。

有源层可以包括6～15个交替生长的In_yGa_1-yN(0.2<x<0.5)势阱层和GaN势垒层。

具体地，生长有源层可以包括：

控制反应室温度为700～850℃，反应室压力为100～500torr，生长2～5nm的In_yGa_1-yN势阱层，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为2000～20000。

控制反应室温度为850～950℃，反应室压力为100～500torr，生长5～15nm的GaN势垒层，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为2000～20000。

P型层可以包括低温P型层、P型电子阻挡层、高温P型层和P型接触层。其中，低温P型层可以为掺Mg的GaN层，P型电子阻挡层可以为AlGaN层，高温P型层可以为掺Mg的GaN层，P型接触层可以为掺杂Mg/ln的PlnGaN层。

具体地，生长P型层可以包括：

控制反应室温度为700～800℃，反应室压力为100～600torr，生长厚度为30～120nm的低温P型层，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为1000～4000。

控制反应室温度为900～1000℃，反应室压力为50～300torr，生长厚度为50～150nm的电子阻挡层，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为1000～10000。

控制反应室温度为900～1050℃，反应室压力为100～500torr，生长厚度为50～150nm的高温P型层，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为500～4000。

控制反应室温度为700～850℃，反应室压力为100～500torr，生长厚度为3～10nm的P型接触层，生长过程中，五族元素与三族元素的摩尔比为10000～20000。

以上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)

1.一种图形化衬底，其特征在于，所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的平面呈平坦状态。

2.一种图形化衬底的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上制作具有所需图案的掩膜；

将具有所述掩膜的衬底放入等离子体刻蚀机的反应室内的载台上；

将所述等离子体刻蚀机内第一电场的功率设定为1000～1300W，所述等离子体刻蚀机内第二电场的功率设定为0～1500W，所述载台的温度设置为24～38℃；

向所述反应室内通入所述三氯化硼气体和氯气的混合气体，所述混合气体在所述第一电场的作用下进行辉光放电产生等离子体，所述等离子体在所述第二电场的作用下轰击所述衬底的未设置有所述掩膜的部分，使所述掩膜的图案转移到所述衬底上；

去除所述掩膜，得到图形化衬底，所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的平面呈平坦状态。

3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，相邻的凸起结构之间的间距为L，3um≤L≤3.6um。

4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述凸起结构在所述本体表面上的正投影为圆形或者其他图形，所述圆形或者所述其他图形的外接圆的直径为d，2.0um≤d≤3.5um。

5.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，每个所述凸起结构的高度为h，1.0um≤h≤1.9um。

6.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上制作具有所需图形的掩膜；

将具有所述掩膜的衬底放入等离子体刻蚀机的反应室内的载台上；

将所述等离子体刻蚀机内第一电场的功率设定为1000～1300W，所述等离子体刻蚀机内第二电场的功率设定为0～1500W，所述载台温度设置为24～38℃；

向所述反应室内通入所述三氯化硼气体和氯气的混合气体，所述混合气体在所述第一电场的作用下进行辉光放电产生等离子体，所述等离子体在所述第二电场的作用下轰击所述衬底的未设置有所述掩膜的部分，使所述掩膜的图案转移到所述衬底上；

去除所述掩膜，得到图形化衬底，所述图形化衬底包括本体和设置在所述本体表面上的多个凸起结构，相邻的所述凸起结构之间的平面呈平坦状态；

在所述图形化衬底的形成有所述凸起结构的一面上依次生长未掺杂的GaN层、N型层、有源层和P型层。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，相邻的所述凸起结构之间的间距为L，3um≤L≤3.6um。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述凸起结构在所述本体表面上的正投影为圆形或者其他图形，所述圆形或者所述其他图形的外接圆的直径为d，2.0um≤d≤3.5um。

9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，每个所述凸起结构的高度为h，1.0um≤h≤1.9um。

10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，在生长所述未掺杂的GaN层之前，所述制造方法还包括：

将所述衬底放置在石墨盘上并对所述衬底进行加热，加热温度为1060℃，加热时间为5min。