CN110246780A - 发光二极管外延片的生长方法 - Google Patents

发光二极管外延片的生长方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片的生长方法，属于发光二极管领域。所述方法包括：基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定所述外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，单个所述石墨盘用于放置至少一外延片的衬底，在制备所述第一外延片时，各个所述石墨盘的加热温度均为目标温度；在所述外延片制备设备制备第二外延片时，分别调整各个所述石墨盘的实际加热温度为相应的确定的加热温度。

Description

发光二极管外延片的生长方法
技术领域
本发明涉及发光二极管领域，特别涉及一种发光二极管外延片的生长方法。
背景技术
石墨盘由高纯石墨制成，并在表面镀有SiC涂层。石墨盘是MOCVD(Metal-organicChemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备中非常重要的配件，其用于放置生长LED(Light Emitting Diode，发光二极管)外延片的衬底。在MOCVD设备的反应腔中，通过加热系统对石墨盘进行辐射加热，进而使得衬底的温度达到外延片中各化学薄膜的合成温度。
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：MOCVD设备能够容纳多个石墨盘。同一MOCVD设备中多个石墨盘在相同的生长条件(包括加热温度和生长压力)下生长出来的外延片的性能有较大的差异，各外延片的波长良率受到影响，波长的均匀性也会相应的变差。
发明内容
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的生长方法，能够改善外延片的良率和同时也可以提高波长命中率，改善波长均匀性。所述技术方案如下：
一种发光二极管外延片的生长方法，所述方法包括：
基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定所述外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，单个所述石墨盘用于放置至少一外延片的衬底，在制备所述第一外延片时，各个所述石墨盘的加热温度均为目标温度；
在所述外延片制备设备制备第二外延片时，分别调整各个所述石墨盘的实际加热温度为相应的确定的加热温度。
可选地，所述基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定所述外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，包括：
在制备所述第一外延片时，监控各个所述第一外延片的生长温度；
确定所述第一外延片中性能最佳的第一外延片，所述性能包括波长、波长均匀性和命中率中的至少一种；
确定所述性能最佳的外延片的生长温度与第三外延片的生长温度之间的差值，所述第三外延片为，所述外延片制备设备中除所述性能最佳的第一外延片对应的石墨盘之外的其他石墨盘上的第一外延片；
基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度。
可选地，所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
当所述确定出的差值为负值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度减去差值之差；
当所述确定出的差值为正值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度加上差值之和，
所述第一外延片所在的石墨盘的加热温度为所述目标温度。
可选地，所述石墨盘的加热温度包括内圈加热温度、中圈加热温度、以及外圈加热温度，所述目标温度包括内圈目标温度、中圈目标温度和外圈目标温度，所述确定出的差值包括内圈加热温度之差、中圈加热温度之差、以及外圈加热温度之差，
所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
根据所述内圈目标温度和所述内圈加热温度之差，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的内圈加热温度；
根据所述中圈目标温度和所述中圈加热温度之差，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的中圈加热温度；
根据所述外圈目标温度和所述外圈加热温度之差，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的外圈温度。
可选地，所述发光二极管外延片包括所述衬底、以及顺次层叠在所述衬底上的N型层，
所述目标温度包括N型层目标温度，所述第一外延片的生长温度包括N型层的生长温度，
所述确定出的差值包括所述性能最佳的外延片的N型层的生长温度与第三外延片的N型层的生长温度之间的差值，
所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
基于所述N型层目标温度、以及所述性能最佳的外延片的N型层的生长温度与第三外延片的N型层的生长温度之间的差值，分别确定在生长所述N型层时所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度。
可选地，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述N型层上的多量子阱层，
所述目标温度还包括多量子阱层目标温度，所述第一外延片的生长温度还包括多量子阱层的生长温度，
所述确定出的差值还包括所述性能最佳的外延片的多量子阱层的生长温度与第三外延片的多量子阱层的生长温度之间的差值，
所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
基于所述多量子阱层目标温度、以及所述性能最佳的外延片的多量子阱层的生长温度与第三外延片的多量子阱层的生长温度之间的差值，分别确定在生长所述多量子阱层时所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度。
可选地，所述基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定所述外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，包括：
确定各个所述第一外延片的波长；
确定波长最佳的第一外延片；
确定所述波长最佳的第一外延片与第三外延片的波长之间的差值；
基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度。
可选地，所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
根据所述确定出的差值和目标系数，计算温度变化量；
当所述确定出的差值为负值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度减去所述温度变化量之差；
当所述确定出的差值为正值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度加上所述温度变化量之和，
所述第一外延片所在的石墨盘的加热温度为所述目标温度。
可选地，所述根据所述确定出的差值和目标系数，计算温度变化量，包括：
将所述确定出的差值与所述目标系数相乘，得到所述温度变化量。
可选地，所述目标系数为k，k＝1/λ，2＜λ＜3。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度；确定出的各个石墨盘的加热温度可能不一致；在外延片制备设备制备第二外延片时，分别调整各个石墨盘的实际加热温度为相应的确定的加热温度；相比于传统的各个石墨盘一致的温度，能够考虑到各个石墨盘的温度差异性，提高了制备得到的第二外延片的长晶质量，改善外延片的良率和同时也可以提高波长命中率，改善波长均匀性。
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生长方法流程图；
图2是本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法流程图；
图3是本发明实施例提供的在线可移动监测设备的安装位置的示意图；
图4是本发明实施例提供的在线可移动监测设备的扫描头的结构示意图。
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。
为便于理解本发明实施例提供的技术方案，首先介绍一下传统的LED外延片的生长过程。该生长过程包括：先将衬底放置到外延片制备设备(例如MOCVD设备)的石墨盘中，并将石墨盘放置到外延片制备设备的反应腔中，再按照设定的程序对石墨盘进行加热，并向反应腔通入反应气体，以在衬底上沉积N型层、多量子阱层和P型层，得到外延片。虽然单个外延片制备设备中容纳多个石墨盘，但是设定的程序中仅对应设备设定了统一的石墨盘的加热温度，即每个石墨盘的加热温度在统一时间都是一致的。为了解决同一MOCVD设备中多个石墨盘在相同的生长条件(包括加热温度和生长压力)下生长出来的外延片的性能有较大的差异的问题，经过分析发现：石墨盘在制程加工的过程中，SIC层的密度、厚度存在一定的差异；目前常用的石墨盘都是圆形，在石墨盘上分布有一些圆形的Pocket(凹槽)，这些Pocket的内壁存在Tab(平台)，放置的衬底即搭在Tab上，石墨盘上用于放置衬底的Pocket内部的深度、Tab的设计存在一定的差异；石墨材料的致密度存在一定的差异；这些条件都会导致盘与盘之间存在一定的温度差异。而温度差异将导致生长的外延片的性能差异。
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生长方法。参见图1，该方法流程包括如下步骤。
步骤101、基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度。
其中，单个石墨盘用于放置至少一外延片的衬底。
其中，在制备第一外延片时，各个石墨盘的加热温度均为目标温度。目标温度可以基于所需的LED外延片的波长获得。具体地，可以通过试验得到所需的LED外延片的波长对应的石墨盘的加热温度(目标温度)。
步骤102、在外延片制备设备制备第二外延片时，分别调整各个石墨盘的实际加热温度为相应的确定的加热温度。
本发明实施例通过基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度；确定出的各个石墨盘的加热温度可能不一致；在外延片制备设备制备第二外延片时，分别调整各个石墨盘的实际加热温度为相应的确定的加热温度；相比于传统的各个石墨盘一致的温度，能够考虑到各个石墨盘的温度差异性，提高了制备得到的第二外延片的长晶质量，改善外延片的良率和同时也可以提高波长命中率，改善波长均匀性。
图2示出了本发明实施例提供的一种发光二极管外延片的生长方法。在本实施例中，将以MOCVD设备(例如Veeco K465i)为例，详细介绍该方法。参见图2，该方法流程包括如下步骤。
步骤201、基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度。
示例性地，可以在正常制备流程中每制备一炉外延片就投放少量试验外延片作为第一外延片。少量试验外延片的优劣即代表整炉外延片的性能。
其中，针对分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，本发明实施例提供了两种方式。第一种方式是根据石墨盘之间的温度差异来确定加热温度，第二种方式是根据外延片之间的波长差异来确定加热温度。
第一种方式中，步骤201可以包括：在制备第一外延片时，监控各个第一外延片的生长温度；确定第一外延片中性能最佳的第一外延片，性能包括波长、波长均匀性和命中率中的至少一种；确定性能最佳的外延片的生长温度与第三外延片的生长温度之间的差值，第三外延片为，外延片制备设备中除性能最佳的第一外延片对应的石墨盘之外的其他石墨盘上的第一外延片；基于目标温度和确定出的差值，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度。
其中，第一外延片的数量，可以是MOCVD设备一炉的数量，也可以是多炉的数量，本发明实施例不作限制。
其中，可以采用在线可移动设备监控各个第一外延片的生长温度。参见图3，在MOCVD设备100上的Viewport视窗口1安装在线可移动监测设备10，实时对反应腔里面生长过程中石墨盘2上的外延片3进行温度探测，并生成高分辨率的温度Mapping图，温度Mapping图中包括各外延片各层的生长温度。在线可移动设备的型号可以是ScanningPyro，参见图3和图4，该在线可移动设备10包括本体10a、以及设置在本体10a上的扫描头10b与两个高温计10c，其中，扫描头10b可以在本体10a上来回移动，并且可以调整扫描头10b与本体10a之间的角度。这种结构使得ScanningPyro能够通过反应腔上有限长度的Viewport视窗口生成从中心到边缘的完整晶圆载体的温度图。ScanningPyro用不到2分钟的时间将整个外延片(从中心到外边缘)映射出来。
其中，性能包括波长、波长均匀性和命中率中的至少一种。波长指外延片上多个测试点的波长的平均波长。波长均匀性指外延片上多个测试点的波长的标准方差。波长均匀性越小越好。命中率指石墨盘上所有外延片中波长位于所需范围内的外延片在该石墨盘上所有外延片中的比例。命中率越高越好。
其中，石墨盘的加热温度包括内圈加热温度、中圈加热温度、以及外圈加热温度，目标温度包括内圈目标温度、中圈目标温度和外圈目标温度，确定出的差值包括内圈加热温度之差、中圈加热温度之差、以及外圈加热温度之差。基于此，基于目标温度和确定出的差值，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，包括：根据内圈目标温度和内圈加热温度之差，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的内圈加热温度；根据中圈目标温度和中圈加热温度之差，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的中圈加热温度；根据外圈目标温度和外圈加热温度之差，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的外圈温度。
进一步地，基于目标温度和确定出的差值，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，可以包括：当确定出的差值为负值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度减去差值之差；当确定出的差值为正值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度加上差值之和，第一外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度。
进一步地，发光二极管外延片包括衬底、以及顺次层叠在衬底上的N型层，目标温度包括N型层目标温度，第一外延片的生长温度包括N型层的生长温度，确定出的差值包括性能最佳的外延片的N型层的生长温度与第三外延片的N型层的生长温度之间的差值。基于目标温度和确定出的差值，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，包括：基于N型层目标温度、以及性能最佳的外延片的N型层的生长温度与第三外延片的N型层的生长温度之间的差值，分别确定在生长N型层时外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度。
进一步地，发光二极管外延片还包括层叠在N型层上的多量子阱层，目标温度还包括多量子阱层目标温度，第一外延片的生长温度还包括多量子阱层的生长温度，确定出的差值还包括性能最佳的外延片的多量子阱层的生长温度与第三外延片的多量子阱层的生长温度之间的差值。基于目标温度和确定出的差值，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，包括：基于多量子阱层目标温度、以及性能最佳的外延片的多量子阱层的生长温度与第三外延片的多量子阱层的生长温度之间的差值，分别确定在生长多量子阱层时外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度。
具体地，表1示出了目标温度、石墨盘一与石墨盘石二上的第一外延片的生长温度差异比较。wafer表示外延片。需要说明的是，表1示出的温度仅为举例，表1示出的温度可以是外延片中任何一个层的生长温度。由于各个层的生长温度可能差异很大，在进行石墨盘之间的比较时，是相同层之间进行比较。
表1
第二种方式中，步骤201可以包括：确定各个第一外延片的波长；确定波长最佳的第一外延片；确定波长最佳的第一外延片与第三外延片的波长之间的差值；基于目标温度和确定出的差值，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度。
第二种方式中，基于目标温度和确定出的差值，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，包括：根据确定出的差值和目标系数，计算温度变化量；当确定出的差值为负值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度减去温度变化量之差；当确定出的差值为正值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度加上温度变化量之和，第一外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度。
第二种方式中，根据确定出的差值和目标系数，计算温度变化量，包括：将确定出的差值与目标系数相乘，得到温度变化量。
示例性地，目标系数为k，k＝1/λ，2＜λ＜3。
步骤202、对外延片制备设备中的各个石墨盘进行清洗。
在LED外延片的正常量产过程中，石墨盘作为重要的配件，由于单价较高，所以为了节约成本，一般公司采用循环使用的方式进行，单块石墨盘的寿命在200～300次。石墨盘作为衬底的载盘在单次使用完毕后，需要在Bake炉(高温烘烤炉)进行高温Bake，同时需通入N2/H2混合气，对石墨盘表面的GaN进行处理，保证石墨盘的表面SIC层没有GaN的残留，有利于外延片的正常生产。
步骤203、在外延片制备设备制备第二外延片时，分别调整各个石墨盘的实际加热温度为相应的确定的加热温度。
其中，制备第二外延片采用的石墨盘是经过清洗的石墨盘。
具体地，通过石墨盘的加热系统按照确定的加热温度对石墨盘进行加热。石墨盘的加热系统中，由热电偶与温度控制器控制温度，这样温度控制精度一般可达0.2℃或更低。
具体地，假设表1示出的石墨盘一上的第一外延片为性能最佳的第一外延片，基于温度差异调整石墨盘二的加热温度后，参见表2，石墨盘二上的第二外延片的波长从450.2nm变为454.3nm，命中率从65％变为81％，波长均匀性从0.35变为0.3，性能得到了提升。
表2
本发明实施例通过基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度；确定出的各个石墨盘的加热温度可能不一致；在外延片制备设备制备第二外延片时，分别调整各个石墨盘的实际加热温度为相应的确定的加热温度；相比于传统的各个石墨盘一致的温度，能够考虑到各个石墨盘的温度差异性，提高了制备得到的第二外延片的长晶质量，改善外延片的良率和同时也可以提高波长命中率，改善波长均匀性。
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生长方法，其特征在于，所述方法包括：
基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定所述外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，单个所述石墨盘用于放置至少一外延片的衬底，在制备所述第一外延片时，各个所述石墨盘的加热温度均为目标温度；
在所述外延片制备设备制备第二外延片时，分别调整各个所述石墨盘的实际加热温度为相应的确定的加热温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定所述外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，包括：
在制备所述第一外延片时，监控各个所述第一外延片的生长温度；
确定所述第一外延片中性能最佳的第一外延片，所述性能包括波长、波长均匀性和命中率中的至少一种；
确定所述性能最佳的外延片的生长温度与第三外延片的生长温度之间的差值，所述第三外延片为，所述外延片制备设备中除所述性能最佳的第一外延片对应的石墨盘之外的其他石墨盘上的第一外延片；
基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
当所述确定出的差值为负值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度减去差值之差；
当所述确定出的差值为正值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度加上差值之和，
所述第一外延片所在的石墨盘的加热温度为所述目标温度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述石墨盘的加热温度包括内圈加热温度、中圈加热温度、以及外圈加热温度，所述目标温度包括内圈目标温度、中圈目标温度和外圈目标温度，所述确定出的差值包括内圈加热温度之差、中圈加热温度之差、以及外圈加热温度之差，
所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
根据所述内圈目标温度和所述内圈加热温度之差，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的内圈加热温度；
根据所述中圈目标温度和所述中圈加热温度之差，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的中圈加热温度；
根据所述外圈目标温度和所述外圈加热温度之差，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的外圈温度。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发光二极管外延片包括所述衬底、以及顺次层叠在所述衬底上的N型层，
所述目标温度包括N型层目标温度，所述第一外延片的生长温度包括N型层的生长温度，
所述确定出的差值包括所述性能最佳的外延片的N型层的生长温度与第三外延片的N型层的生长温度之间的差值，
所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
基于所述N型层目标温度、以及所述性能最佳的外延片的N型层的生长温度与第三外延片的N型层的生长温度之间的差值，分别确定在生长所述N型层时所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述发光二极管外延片还包括层叠在所述N型层上的多量子阱层，
所述目标温度还包括多量子阱层目标温度，所述第一外延片的生长温度还包括多量子阱层的生长温度，
所述确定出的差值还包括所述性能最佳的外延片的多量子阱层的生长温度与第三外延片的多量子阱层的生长温度之间的差值，
所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
基于所述多量子阱层目标温度、以及所述性能最佳的外延片的多量子阱层的生长温度与第三外延片的多量子阱层的生长温度之间的差值，分别确定在生长所述多量子阱层时所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于外延片制备设备制备的第一外延片之间的性能差异，分别确定所述外延片制备设备中各个石墨盘的加热温度，包括：
确定各个所述第一外延片的波长；
确定波长最佳的第一外延片；
确定所述波长最佳的第一外延片与第三外延片的波长之间的差值；
基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标温度和确定出的差值，分别确定所述外延片制备设备中各个所述石墨盘的加热温度，包括：
根据所述确定出的差值和目标系数，计算温度变化量；
当所述确定出的差值为负值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度减去所述温度变化量之差；
当所述确定出的差值为正值时，确定相应第三外延片所在的石墨盘的加热温度为目标温度加上所述温度变化量之和，
所述第一外延片所在的石墨盘的加热温度为所述目标温度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据所述确定出的差值和目标系数，计算温度变化量，包括：
将所述确定出的差值与所述目标系数相乘，得到所述温度变化量。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，
所述目标系数为k，k＝1/λ，2＜λ＜3。
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