CN113584582B - 外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法 - Google Patents

外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法，属于外延生长技术领域。外延托盘具有圆形凹槽，在圆形凹槽的底面增加多个延伸至外延托盘的另一端的孔洞。将衬底放置在圆形凹槽内，反应腔压力大于外延托盘的孔洞内的压力，压差作用下，衬底会吸附在孔洞上，减小衬底位置出现偏离的可能。衬底被孔洞的吸附力吸附在圆形凹槽的中部，抵消离心力对衬底的影响，减小衬底的外周壁与圆形凹槽的侧壁直接接触的可能性。衬底主要是端面与圆形凹槽的底面相接触，衬底的端面接收的热量与衬底本身的温度较为均匀，因此在衬底各处生长的外延材料也较为均匀，可以提高得到的外延片的质量与均匀程度来提高发光均匀度。

Description

外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法
技术领域
本公开涉及外延生长技术领域，特别涉及一种外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法。
背景技术
外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法是金属有机化合物化学气相沉积(英文：Metal-organic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备的一部分，外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法为圆柱体，外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法的一端的端面上设置有多个用于放置平边衬底的圆形凹槽，外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法的另一端的端面与MOCVD设备的驱动结构相连。
在制备外延片时，需要将衬底一一对应放在每个圆形凹槽内，衬底被支撑在圆形凹槽的底面上，圆形凹槽底面上的热量经过空气传递至衬底上，以使衬底的温度达到外延生长的要求温度。但在实际生长时，外延托盘以及位于外延托盘的圆形凹槽内的衬底都会高速转动，部分与外延托盘的转动中心距离较远的衬底会有较大的离心力，导致衬底的部分边缘与圆形凹槽的侧壁相接触。与圆形凹槽相接触的衬底的部分边缘上生长的外延材料的温度会比衬底其他区域生长的外延材料的温度高，使得衬底上最终得到的外延材料的均匀度较差。
发明内容
本公开实施例提供了一种外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法，能够提高在衬底上生长的外延材料的均匀度以提高最终得到的半导体器件的发光均匀度。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种外延托盘及外延托盘应用的发光二极管外延片制备方法，所述外延托盘为圆柱体，所述外延托盘的一端的端面具有多个圆形凹槽，每个所述圆形凹槽的底面具有至少一个与所述圆形凹槽同圆心的孔洞圈，每个所述孔洞圈均包括多个沿所述圆形凹槽的周向均匀分布的孔洞，每个所述孔洞的两端分别位于所述圆形凹槽的底面与所述外延托盘的另一端。
可选地，所述孔洞为柱状孔且每个所述孔洞的轴线均平行于所述外延托盘的轴线。
可选地，所述孔洞的直径为2～4cm。
可选地，相邻的两个所述孔洞之间的距离为2cm～4cm。
可选地，直径最大的所述孔洞圈分布在所述底面所具有的圆形区域内，所述圆形区域的圆心与所述底面的圆心重合，且所述圆形区域的直径与所述底面的直径之差的绝对值为1～2cm。
可选地，所述圆形区域的粗糙度大于所述底面除所述圆形区域的其他区域。
可选地，所述圆形区域的表面粗糙度为2～6μm。
可选地，在由所述外延托盘的轴线指向所述圆形区域的圆心的方向上，所述圆形区域内的粗糙度减小。
本公开实施例提供了一种发光二极管外延片制备方法，所述发光二极管外延片制备方法包括：
提供一外延托盘，所述外延托盘的一端的端面具有多个圆形凹槽，每个所述圆形凹槽的底面具有多个延伸至所述外延托盘的另一端的孔洞，所述多个孔洞沿所述圆形凹槽的周向均匀分布；
在每个所述圆形凹槽内放置衬底；
在所述衬底上依次生长n型层、发光层与p型层。
可选地，在每个所述圆形凹槽内放置衬底之后，在所述衬底上生长n型层之前，所述发光二极管外延片制备方法还包括：
使反应腔内的压力增加至300～500Torr；
增加所述反应腔的压力到所述n型层的生长压力的同时，转动所述外延托盘直至所述外延托盘的转速达到所述n型层的生长转速。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
外延托盘具有圆形凹槽，在圆形凹槽的底面增加至少一个与圆形凹槽同圆心的孔洞圈，每个孔洞圈均包括多个沿圆形凹槽的周向均匀分布的孔洞，且每个孔洞的两端分别位于圆形凹槽的底面与外延托盘的另一端，则孔洞连通圆形凹槽的底面与外延托盘的另一端的端面。将衬底放置在圆形凹槽内，在衬底放置在圆形凹槽的中部且衬底的外周壁与圆形凹槽的侧壁之间没有接触的情况下，在托盘转动且衬底上生长外延材料的过程中，反应腔压力大于外延托盘的孔洞内的压力，压差作用下，衬底会吸附在孔洞上，衬底被孔洞的吸附力吸附在圆形凹槽的中部，抵消离心力对衬底的影响，降低了衬底位置偏移的可能以减小衬底的外周壁与圆形凹槽的侧壁直接接触的可能性。沿圆形凹槽的周向均匀分布的多个孔洞本身也不会对外延托盘的传热造成不均匀的影响，衬底主要是端面与圆形凹槽的底面相接触，衬底的端面接收的热量与衬底本身的温度较为均匀，因此在衬底各处生长的外延材料也较为均匀，可以提高得到的外延片的质量与均匀程度来提高发光均匀度。
附图说明
为了更清楚地说明本公开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公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的外延托盘的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的外延托盘的俯视图；
图3是本公开实施例提供的圆形凹槽的放大图；
图4是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片制备方法流程图；
图5是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片制备方法流程图；
图6是本公开实施例提供的发光二极管外延片的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的另一端。“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。
为便于理解，此处先对平边衬底的结构进行说明，图1是本公开实施例提供的平边衬底的结构示意图，参考图1可知，本公开实施例提供了一种外延托盘，外延托盘为圆柱体，外延托盘的一端的端面具有多个圆形凹槽1，每个圆形凹槽1的底面11具有至少一个与圆形凹槽1同圆心的孔洞圈2，每个孔洞圈2均包括多个沿圆形凹槽1的周向均匀分布的孔洞21，每个孔洞21的两端分别位于圆形凹槽1的底面11与外延托盘的另一端。
外延托盘具有圆形凹槽1，在圆形凹槽1的底面11增加至少一个与圆形凹槽1同圆心的孔洞圈2，每个孔洞圈2均包括多个沿圆形凹槽1的周向均匀分布的孔洞21，且每个孔洞21的两端分别位于圆形凹槽1的底面11与外延托盘的另一端，则孔洞21连通圆形凹槽1的底面11与外延托盘的另一端的端面。将衬底放置在圆形凹槽1内，在衬底放置在圆形凹槽1的中部且衬底的外周壁与圆形凹槽1的侧壁之间没有接触的情况下，在托盘转动且衬底上生长外延材料的过程中，反应腔压力大于外延托盘的孔洞21内的压力，压差作用下，衬底会吸附在孔洞21上，衬底被孔洞21的吸附力吸附在圆形凹槽1的中部，抵消离心力对衬底的影响，降低了衬底位置偏移的可能以减小衬底的外周壁与圆形凹槽1的侧壁直接接触的可能性。沿圆形凹槽1的周向均匀分布的多个孔洞21本身也不会对外延托盘的传热造成不均匀的影响，衬底主要是端面与圆形凹槽1的底面11相接触，衬底的端面接收的热量与衬底本身的温度较为均匀，因此在衬底各处生长的外延材料也较为均匀，可以提高得到的外延片的质量与均匀程度来提高发光均匀度。
需要说明的是，衬底的温度对外延材料的厚度有直接影响，温度高的位置外延材料沉积快外延材料厚度大，温度低的位置外延材料沉积慢外延材料厚度小，因此衬底温度均匀时，在衬底上沉积的外延材料的厚度也较为均匀，出光较为均匀。对于部分包括In组分的发光层来说，In组分在温度均匀的情况下分布会更均匀，且In组分分布较为均匀时，发光二极管的发光也较为均匀，因此衬底温度均匀，也可以提高出光波长的一致性。
示例性地，外延托盘在轴向上的厚度为14～18mm。
外延托盘在轴向上的厚度在以上范围内，外延托盘整体的厚度相对正常的外延托盘的厚度会减小部分，外延托盘的厚度的减小可以缩短热量从外延托盘下方传递到外延托盘的上方的衬底的距离，加快热量传递，避免孔洞21的增加对外延托盘的传热造成影响，保证衬底的位置较为稳定的同时保证外延托盘的传热效果。
需要说明的是，增加的孔洞21可以提高均匀度，但孔洞21的增加会导致外延托盘部分固体传热的位置替换为空气传热，传热效率会降低，因此减小外延托盘的厚度可以抵消孔洞21对传热的影响。
在本公开所提供的一种实现方式中，孔洞圈2的个数可以为3～7。
孔洞圈2的数量在以上范围内时，可以对圆形凹槽1的底面11上的衬底进行有效吸附，且整体的制备成本较为合理，也不会对外延托盘的传热造成较大影响。
示例性地，在孔洞圈2的个数大于2时，相邻的孔洞圈2之间的距离与同一孔洞圈2内相邻的两个孔洞21之间的距离相等。可以进一步提高传热的均匀性。
示例性地，每个孔洞圈2所包括的孔洞21的个数为3～8个。可以有效保证对衬底的吸附效果的同时，保证外延托盘的强度与稳定传热。
可选地，相邻的两个孔洞21之间的距离为2～4cm。
相邻的两个孔洞21之间的距离在以上范围内时，外延托盘可以有效进行传热，且不会被孔洞圈2的存在造成较大的传热影响，可以保证衬底上的外延材料的稳定生长的同时有效提高外延材料的生长均匀性。
需要说明的是，在本公开所提供的实现方式中，所有两个结构之间的距离都是指的两个结构之间的最小距离。结构代指孔洞圈2或者孔洞21。
可选地，每个孔洞21的直径均相同。可以保证均匀传热，且保证孔洞21对衬底的均匀吸附。
可选地，孔洞21为柱状孔且每个孔洞21的轴线均平行于外延托盘的轴线。
柱状的孔洞21可以有效保证吸附效果，并且每个孔洞21的轴线均平行于外延托盘的轴线，可以提高吸附效果，也不会对外延托盘本身的强度造成太大影响。
示例性地，孔洞21的直径为2～4cm。
孔洞21的直径在以上范围内时，可以有效吸附圆形凹槽1底面11上的衬底，且不会对外延托盘的传热造成太大影响。
图2是本公开实施例提供的外延托盘的俯视图，参考图2可知，每个圆形凹槽1内均具有孔洞圈2。图3是本公开实施例提供的圆形凹槽的放大图，参考图3可知，直径最大的孔洞圈2分布在底面11所具有的圆形区域S内，圆形区域S的圆心与底面11的圆心重合，且圆形区域S的直径与底面11的直径之差的绝对值为1～2cm。
衬底的直径略小于圆形凹槽1的底面11的直径，使直径最大的孔洞圈2也分布在与圆形凹槽1同圆心的圆形区域S内，且圆形区域S的直径与底面11的直径之差的绝对值为1～2cm，可以有效吸附住衬底的主要部分，且不会过多地增加孔洞圈2的制备成本。
可选地，直径最大的孔洞圈2中的孔洞21与圆形区域S的边缘相切。保证有效吸附的同时控制外延托盘的成本。
需要说明的是，圆形区域S的直径小于圆形凹槽1的底面11的直径。
可选地，圆形区域S的粗糙度大于底面11除圆形区域S的其他区域。
圆形区域S的粗糙度大于圆形凹槽1的底面11除圆形区域S的其他区域，粗糙度大的圆形区域S与衬底之间的摩擦力更大，粗糙度大的圆形区域S可以减小衬底出现位置偏移的情况的可能，配合孔洞21的吸附作用，可以更有效避免衬底在离心力的作用下移动至与圆形凹槽1的侧壁接触，保证衬底上生长的外延材料的均匀度。
示例性地，圆形区域S的表面粗糙度为2～6μm。
圆形区域S的表面粗糙度在以上范围时，可以有效避免衬底的移动，保证衬底上生长的外延材料的均匀度，且也不会过高地提高圆形区域S的处理成本。
可选地，在由外延托盘的轴线指向圆形区域S的圆心的方向上，圆形区域S内的粗糙度减小。可以保证圆形凹槽1的底面11与衬底之间的稳定接触的同时，降低圆形区域S的处理成本。
示例性地，在由外延托盘的轴线指向圆形区域S的圆心的方向上，圆形区域S内的粗糙度可由6μm线性减小至3～4μm。可以保证圆形凹槽1的底面11与衬底之间的稳定接触的同时，降低圆形区域S的处理成本。
图4是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片制备方法流程图，参考图4可知，本公开实施例提供了一种发光二极管外延片制备方法，发光二极管外延片制备方法包括：
S101：提供一外延托盘，外延托盘的一端的端面具有多个圆形凹槽，每个圆形凹槽的底面具有至少一个与圆形凹槽同圆心的孔洞圈，每个孔洞圈均包括多个沿圆形凹槽的周向均匀分布的孔洞，每个孔洞的两端分别位于圆形凹槽的底面与外延托盘的。
S102：在每个圆形凹槽内放置衬底。
S103：在衬底上依次生长n型层、发光层与p型层。
外延托盘具有圆形凹槽，在圆形凹槽的底面增加至少一个与圆形凹槽同圆心的孔洞圈，每个孔洞圈均包括多个沿圆形凹槽的周向均匀分布的孔洞，且每个孔洞的两端分别位于圆形凹槽的底面与外延托盘的另一端，则孔洞连通圆形凹槽的底面与外延托盘的另一端的端面。将衬底放置在圆形凹槽内，在衬底放置在圆形凹槽的中部且衬底的外周壁与圆形凹槽的侧壁之间没有接触的情况下，在托盘转动且衬底上生长外延材料的过程中，反应腔压力大于外延托盘的孔洞内的压力，压差作用下，衬底会吸附在孔洞上，衬底被孔洞的吸附力吸附在圆形凹槽的中部，抵消离心力对衬底的影响，降低了衬底位置偏移的可能以减小衬底的外周壁与圆形凹槽的侧壁直接接触的可能性。沿圆形凹槽的周向均匀分布的多个孔洞本身也不会对外延托盘的传热造成不均匀的影响，衬底主要是端面与圆形凹槽的底面相接触，衬底的端面接收的热量与衬底本身的温度较为均匀，因此在衬底各处生长的n型层、发光层与p型层的外延材料也较为均匀，可以提高得到的外延片的质量与均匀程度来提高发光均匀度。
图5是本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片制备方法流程图，参考图5可知，本公开实施例提供的另一种发光二极管外延片制备方法流程图还包括：
S201：提供一外延托盘，外延托盘的一端的端面具有多个圆形凹槽，每个圆形凹槽的底面具有至少一个与圆形凹槽同圆心的孔洞圈，每个孔洞圈均包括多个沿圆形凹槽的周向均匀分布的孔洞，每个孔洞的两端分别位于圆形凹槽的底面与外延托盘的。
S202：在每个圆形凹槽内放置衬底。
其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。
S203：使反应腔内的压力增加至300～500Torr；增加反应腔的压力到n型层的生长压力的同时，转动外延托盘直至外延托盘的转速达到n型层的生长转速。
在衬底上生长具体的外延材料之前，可以先调整反应腔内的压力到以上范围，此时反应腔内的压力与外延托盘的孔洞之间的压差已经基本建立，衬底被孔洞吸附，可以减小衬底在圆形凹槽内移动的可能性。在此基础上，再进一步控制反应腔的压力继续增加至n型层的生长压力，增加反应腔与孔洞之间的压差以提高孔洞对衬底的吸附性，进一步避免衬底的移动。在压力增长至n型层的生长压力的过程中，同时控制外延托盘的转速增长至n型层的生长转速，可以有效避免衬底移动的同时降低发光二极管外延片生长所需的制备时间，提高发光二极管外延片的制备效率。
需要说明的是，通常反应腔的压力等于或大于以上范围时，孔洞的吸附力已经足够，此时衬底被转速影响而产生移动的可能性非常小。
可选地，反应腔内的温度的调整可以与反应腔内的压力的增长同步进行。可以降低发光二极管外延片生长所需的制备时间。
在本公开所提供的一种实现方式中，所有外延材料，包括n型层，生长的压力均可为300～500Torr。或者其他外延材料的生长压力也可高于500torr，例如可为550torr或者600torr。
S204：在衬底上生长GaN缓冲层。
示例性地，GaN缓冲层的生长温度可为530～560℃。得到的GaN缓冲层的质量较好。
S205：在GaN缓冲层上生长非掺杂GaN层。
非掺杂GaN层的厚度可为0.5～3um。
示例性地，非掺杂GaN层的生长温度可为1000～1100℃。得到的非掺杂GaN层的质量较好。
S206：在非掺杂GaN层上生长n型层。
可选地，n型层为n型GaN层，n型GaN层的生长温度可为1000～1100℃。
可选地，n型GaN层的厚度可为0.5～3um。
S207：在n型层上生长发光层。
发光层可以包括交替生长的InGaN阱层和GaN垒层。长InGaN阱层时，反应室温度为760～780℃。生长GaN垒层时，反应室温度为860～890℃。得到的发光层的质量较好。
S208：在发光层上生长AlGaN电子阻挡层。
AlGaN电子阻挡层的生长温度可为800～1000℃。在此条件下生长得到的AlGaN电子阻挡层的质量较好，有利于提高发光二极管的发光效率。
S209：在AlGaN电子阻挡层上生长p型层。
可选地，p型层为p型GaN层，p型GaN层的生长温度可为800～1000℃。
S210：在p型GaN层上生长p型接触层。
可选地，p型接触层的生长温度可为800～1000℃。
需要说明的是，图5中所示的发光二极管外延片的制备方法，相对图4中所示的发光二极管外延片制备方法，提供了一种更为详细的发光二极管外延片的生长方式。
需要说明的是，在本公开实施例中，采用VeecoK 465i or C4 or RB MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现发光二极管的生长方法。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。
执行完步骤S210后的发光二极管外延片的结构可参见图6。
图6是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，参考图6可知，在本公开提供的一种实现方式中，得到的发光二极管外延片可包括衬底1及生长在衬底1上的GaN缓冲层2、非掺杂GaN层3、n型GaN层4、发光层5、AlGaN电子阻挡层6、p型GaN层7及p型接触层8。
可选地，GaN缓冲层2的厚度可为10～30nm。能够减小n型GaN层与衬底1之间的晶格失配，保证外延层的晶体质量。
示例性地，非掺杂GaN层3的厚度可为1～3.5μm。此时得到的发光二极管外延片的质量较好。
可选地，n型GaN层4的掺杂元素可为Si，且Si元素的掺杂浓度可为1×1018～1×1019cm-3。n型GaN层4整体的质量较好。
示例性地，n型GaN层4的厚度可为2～3μm。得到的n型GaN层整体的质量较好。
可选地，发光层5可包括交替层叠的InGaN阱层31与GaN垒层32。易于制备与获取。
可选地，AlGaN电子阻挡层6中Al组分可为0.15～0.25。阻挡电子的效果较好。
可选地，p型GaN层7可掺Mg。
示例性地，p型接触层8的厚度可为15nm。
需要说明的是，图6中所示的发光二极管外延片仅用于示例，在本公开所提供的其他实现方式中，发光二极管外延片也可以包括其他不同层次以及不同半导体材料的结构，本公开对此不做限制。
以上所述，并非对本公开作任何形式上的限制，虽然本公开已通过实施例揭露如上，然而并非用以限定本公开，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本公开技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本公开技术方案的内容，依据本公开的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本公开技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种外延托盘，其特征在于，所述外延托盘为圆柱体，所述外延托盘的一端的端面具有多个圆形凹槽，每个所述圆形凹槽的底面具有至少一个与所述圆形凹槽同圆心的孔洞圈，每个所述孔洞圈均包括多个沿所述圆形凹槽的周向均匀分布的孔洞，每个所述孔洞的两端分别位于所述圆形凹槽的底面与所述外延托盘的另一端；
所述孔洞的直径为2～4cm，相邻的两个所述孔洞之间的距离为2cm～4cm；直径最大的所述孔洞圈分布在所述底面所具有的圆形区域内，所述圆形区域的圆心与所述底面的圆心重合，且所述圆形区域的直径与所述底面的直径之差的绝对值为1～2cm；
所述圆形区域的粗糙度大于所述底面除所述圆形区域的其他区域，在由所述外延托盘的轴线指向所述圆形区域的圆心的方向上，所述圆形区域的表面粗糙度由6μm线性减小至3～4μm。
2.根据权利要求1所述的外延托盘，其特征在于，所述孔洞为柱状孔且每个所述孔洞的轴线均平行于所述外延托盘的轴线。
3.一种发光二极管外延片制备方法，其特征在于，所述发光二极管外延片制备方法包括：
提供一外延托盘，所述外延托盘为如权利要求1所述的外延托盘；
在每个所述圆形凹槽内放置衬底；
在所述衬底上依次生长n型层、发光层与p型层。
4.根据权利要求3所述的发光二极管外延片制备方法，其特征在于，在每个所述圆形凹槽内放置衬底之后，在所述衬底上生长n型层之前，所述发光二极管外延片制备方法还包括：
使反应腔内的压力增加至300～500Torr；
增加所述反应腔的压力到所述n型层的生长压力的同时，转动所述外延托盘直至所述外延托盘的转速达到所述n型层的生长转速。
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