CN113594319B - 具有复合衬底的发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了具有复合衬底的发光二极管外延片及其制备方法，属于发光二极管制作领域。衬底主体的第一表面层叠有接触层，接触层用于放置在外延生长设备的托盘的圆形凹槽内。接触层包括的凸起与圆形凹槽的底面直接点接触，相邻的两个凸起之间则存在有较大的空间。衬底主体及外延层的实际受热主要来自衬底主体和圆形凹槽的底面之间的空隙内的气体，传热方式较为均匀。并且凸起的结构上宽下窄，凸起的形变幅度较小，则凸起传递的形变较小，可以降低形变导致的外延片的翘曲的程度，最终得到的外延片的翘曲程度减小，出光波长均匀度得到提高。
Description
技术领域
本公开涉及发光二极管制作领域，特别涉及具有复合衬底的发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
发光二极管是一种能发光的半导体电子元件。作为一种高效、环保、绿色新型固态照明光源，正在被迅速广泛地得到应用，如交通信号灯、汽车内外灯、城市景观照明、手机背光源等，提高芯片发光效率是发光二极管不断追求的目标。发光二极管外延片则是用于制备发光二极管的基础结构，发光二极管外延片包括衬底及在衬底上层叠的外延层。
发光二极管外延片在生长时，需要将衬底放置在外延生长反应设备的托盘的端面具有的圆形凹槽内，热量从圆形凹槽的底面传递至衬底的整个表面，在一定温度条件下，一些反应气流从托盘所在的反应腔到衬底上反应形成外延层，最后得到外延片。
热量是由圆形凹槽的底面由下至上逐渐传递到衬底与外延层的，衬底与外延层的下表面的温度总是高于上表面，衬底与外延层的下表面的受热膨胀程度也高于衬底与外延层的上表面。加上衬底与外延片的横向比衬底与外延片的纵向更容易膨胀，容易造成外延片的边缘向上翘起，使得最终得到的外延片的表面存在一定的翘曲，影响外延片制备得到的发光二极管的出光波长均匀度。
发明内容
本公开实施例提供了具有复合衬底的发光二极管外延片及其制备方法，能够提高外延片制备得到的发光二极管的发光均匀度。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种具有复合衬底的发光二极管外延片及其制备方法，所述发光二极管外延片包括复合衬底及依次层叠在所述复合衬底上的外延层，所述复合衬底包括衬底主体与接触层，所述衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，
所述接触层层叠在所述衬底主体的第一表面，所述接触层包括多个沿所述衬底主体均匀分布且相互间隔的凸起，在由所述第二表面指向所述第一表面的方向上，所述凸起的宽度减小，
所述外延层层叠在所述衬底主体的第二表面。
可选地，所述接触层的热膨胀系数小于所述衬底主体的热膨胀系数。
可选地，所述接触层的材料为SiO2、Si3N4、Mo-Cu合金、AlN与Si中的一种。
可选地，所述接触层的高度与所述衬底主体的厚度之比为1:1～4:1。
可选地，所述凸起的高度为30～100um。
可选地，相邻的两个所述凸起之间的最小距离为120～600um。
可选地，所述衬底主体的第一表面具有沟槽，所述沟槽与所述接触层间隔分布。
可选地，所述沟槽的深度与所述衬底主体的厚度之比为1:5～1:2。
本公开实施例提供了一种具有复合衬底的发光二极管外延片的制备方法，所述具有复合衬底的发光二极管外延片及其制备方法包括：
提供一复合衬底，所述复合衬底包括衬底主体与接触层，所述衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，所述接触层层叠在所述衬底主体的第一表面，所述接触层包括多个沿所述衬底主体均匀分布且相互间隔的凸起，在由所述第二表面指向所述第一表面的方向上，所述凸起的宽度减小；
在所述第二表面生长外延层。
可选地，所述提供一复合衬底，包括：
提供一衬底主体，所述衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面；
在所述第一表面沉积接触膜层；
对所述接触膜层进行处理以形成多个均匀分布且相互间隔在所述第一表面上的过渡圆柱；
对每个所述过渡圆柱进行打磨得到多个所述凸起以得到所述接触层。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
使用复合衬底替换常见的衬底基片，复合衬底中衬底主体的第二表面作为外延层的生长表面，衬底主体的第一表面层叠有接触层，接触层用于放置在外延生长设备的托盘的圆形凹槽内。接触层包括多个沿衬底主体均匀分布且相互间隔的凸起，每个凸起所具有的平面与第一表面贴合相连。因此本质是接触层包括的凸起与圆形凹槽的底面直接点接触，相邻的两个凸起之间则存在有较大的空间。圆形凹槽底面的热量传递至衬底主体的过程中，热量集中于凸起的顶点位置并向衬底主体进行传递，由于凸起和圆形凹槽的底面之间的接触面积较小，衬底主体及外延层的实际受热主要来自衬底主体和圆形凹槽的底面之间的空隙内的气体，传热方式较为均匀，当外延生长设备的反应腔内的环境趋稳定时，衬底主体与外延层的正面与背面的温度差相对较小，会由此导致的外延片的翘曲程度也较小。并且凸起的结构上宽下窄，凸起的温度分布则是上低下高。凸起的上宽部热膨胀程度小于下窄部，凸起的下部晶格受热膨胀并传导到凸起的上部晶格的应力会被逐渐分散，凸起的形变幅度较小，则凸起传递的形变较小，可以降低形变导致的外延片的翘曲的程度，最终得到的外延片的翘曲程度减小，出光波长均匀度得到提高。
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一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的复合衬底的仰视图；
图3是本公开实施例提供的一种具有复合衬底的发光二极管外延片制备方法流程图；
图4是本公开实施例提供的复合衬底的中间结构图；
图5是本公开实施例提供的另一种具有复合衬底的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公开实施方式作进一步地详细描述。
为便于理解，此处先对外延生长设备的结构进行基础说明，外延生长设备的托盘位于外延生长设备的反应腔内，托盘通常为柱状，托盘的一个端面具有多个用于放置衬底的多个圆形凹槽，托盘的另一个端面则与驱动结构相连。需要在衬底上生长外延层时，将衬底一一放进多个圆形凹槽内，热量从托盘的圆形凹槽传递至衬底，驱动结构驱动托盘本身转动，反应腔内通入反应气流，以在衬底的表面形成外延层，最终得到包括衬底与外延层的外延片。以下在对本公开所提供的方案进行说明。
图1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1可知，本公开实施例提供了一种具有复合衬底1的发光二极管外延片及其制备方法，发光二极管外延片包括复合衬底1及依次层叠在复合衬底1上的外延层2，复合衬底1包括衬底主体11与接触层12，衬底主体11包括相互平行且相反的第一表面与第二表面。接触层12层叠在衬底主体11的第一表面，接触层12包括多个沿衬底主体11均匀分布且相互间隔的凸起121，在由第二表面指向第一表面的方向上，凸起121的宽度减小。外延层2层叠在衬底主体11的第二表面。
使用复合衬底1替换常见的衬底基片，复合衬底1中衬底主体11的第二表面作为外延层2的生长表面，衬底主体11的第一表面层叠有接触层12，接触层12用于放置在外延生长设备的托盘的圆形凹槽内。接触层12包括多个沿衬底主体11均匀分布且相互间隔的凸起121，每个凸起121所具有的平面与第一表面贴合相连。因此本质是接触层12包括的凸起121与圆形凹槽的底面直接点接触，相邻的两个凸起121之间则存在有较大的空间。圆形凹槽底面的热量传递至衬底主体11的过程中，热量集中于凸起121的顶点位置并向衬底主体11进行传递，由于凸起121和圆形凹槽的底面之间的接触面积较小，衬底主体11及外延层2的实际受热主要来自衬底主体11和圆形凹槽的底面之间的空隙内的气体，传热方式较为均匀，当外延生长设备的反应腔内的环境趋稳定时，衬底主体11与外延层2的正面与背面的温度差相对较小，会由此导致的外延片的翘曲程度也较小。并且凸起121的结构上宽下窄，凸起121的温度分布则是上低下高。凸起121的上宽部热膨胀程度小于下窄部，凸起121的下部晶格受热膨胀并传导到凸起121的上部晶格的应力会被逐渐分散，凸起121的形变幅度较小，则凸起121传递的形变较小，可以降低形变导致的外延片的翘曲的程度，最终得到的外延片的翘曲程度减小，出光波长均匀度得到提高。
需要说明的是，衬底的温度对外延片的厚度有直接影响，温度高的位置外延片沉积快外延片厚度大，温度低的位置外延片沉积慢外延片厚度小，因此衬底温度均匀时，在衬底上沉积的外延片的厚度也较为均匀，出光较为均匀。对于部分包括In组分的发光层22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。外延材料厚度的不均会加重外延片的翘曲程度，因此配合接触层控制温度均匀可以使外延片整体的翘曲程度相对于背景技术减小，外延片制备得到的发光二极管的内部出光波长均匀度以及一致性都可以得到提高。外延片的表面的翘曲程度减小，从外延片的表面出射的光的一致性也会较高。
为便于理解，图1中将圆形凹槽的底面标识为S，并将衬底主体11的第一表面与第二表面分别标识为111与112。
参考图1可知，本公开实施例中所提供的外延片包括衬底以及依次层叠在衬底的第二表面的n型层21、发光层22与p型层23。可以满足发光二极管的基本制备需求。在本公开所提供的其他实现方式中，外延层2还可以包括其他层次；且外延层2的结构可为氮化镓材料、铝镓氮材料或者其他材料，本公开对此不做限制。
可选地，接触层12的热膨胀系数小于衬底主体11的热膨胀系数。
接触层12的热膨胀系数小于衬底主体11的热膨胀系数，即接触层12的受热变形以及导热能力均小于衬底主体11。接触层12的变形小可以减小传递到衬底主体11的变形，接触层12的导热能力低，可以减小由接触层12传递至衬底主体11的热量，衬底主体11的热量主要来自空气传热，可以降低衬底主体11受热不均的情况，以提高最终得到的外延片的生长均匀度。
示例性地，接触层12的材料的热膨胀系数小于6*10^(-6)/K。
接触层12的材料的热膨胀系数在以上范围内时，可以有效减小衬底主体11的变形并减小接触层12传递至衬底主体11的热量，衬底主体11的热量主要来自空气传热，可以降低衬底主体11受热不均的情况，以提高最终得到的外延片的生长均匀度。
可选地，接触层12的材料为SiO2、Si3N4、Mo-Cu合金、AlN与Si中的一种。
接触层12的材料为上述材料中的一种，便于接触层12制备与获取的同时，也可以有效降低衬底主体11及外延层2的温度差。
在本公开所提供的一种实现方式中，接触层12的材料可以是氧化硅，氧化硅的热膨胀系数与热导率较小，可以降低蓝宝石的两面温度差，减小衬底受热形变程度，也便于制备。
在本公开所提供的一种实现方式中，凸起121可呈半球状。半球状的凸起121与圆形凹槽的底面之间的接触面积非常小，可以使得衬底主体11的大部分位置都是空气传热，提高热量传递的均匀度。
示例性地，沟槽113的每个侧壁均与该侧壁临近的半球状的凸起121的外表面相切。可以减小半球状的凸起121与衬底主体11的形变，并且保持衬底主体11与沟槽113之间的良好接触。
在本公开所提供的其他实现方式中，凸起121还可为圆台、圆锥、抛物面的形状，本公开对此不做限制。
图2是本公开实施例提供的复合衬底的仰视图，参考图2可知相邻的两个凸起121之间的最小距离D为120～600um。
相邻的两个凸起121之间的最小距离D在以上范围内，可以保证凸起121之间具有足够充足的间隙，保证热量可以有效且较为均匀地传递至衬底主体11上，使得衬底主体11的温度较为均匀，可以得到生长质量较为均匀的外延片。
示例性地，接触层12的高度与衬底主体11的厚度H1之比为1:1～4:1。
接触层12的高度与衬底主体11的厚度H1之比在以上范围内时，接触层12的厚度相对衬底主体11的厚度H1会大很多，保证衬底主体11与圆形凹槽的底面之间具有足够的间隙，热量可以较为均匀地传递到衬底主体11上，且衬底主体11本身也有足够的厚度用于支撑外延层2的生长，能够保证最终得到的外延片的质量与生长均匀度较好。
可选地，凸起121的高度H2为30～100um。
凸起121的高度H2在以上范围内时，可以适用于大部分不同厚度规格的衬底主体11，所生长得到的外延片的质量也会较好。
示例性地，凸起121的最大宽度B1为50～200um。
凸起121的最大宽度B1在以上范围内时，可以适用于大部分不同厚度规格的衬底主体11，所生长得到的外延片的质量也会较好。宽度为凸起121在平行于第一表面的方向上的宽度。
需要说明的是，接触层12的高度与凸起121的高度H2相同。
可选地，衬底主体11的第一表面具有沟槽113，沟槽113与接触层12间隔分布。
衬底主体11的第一表面增加与接触层12间隔分布的沟槽113，沟槽113可以减小衬底主体11需要传热的厚度，促进热量均匀且快速地传递到衬底主体11的第二表面，以生长得到质量较为均匀度的外延片。
需要说明的是，沟槽113与接触层12间隔分布在衬底主体11的第一表面上，沟槽113覆盖第一表面未被接触层12覆盖的位置。可以有利于衬底主体11的传热。
可选地，沟槽113的深度H3与衬底主体11的厚度H1之比为1:5～1:2。
沟槽113的深度H3与衬底主体11的厚度H1之比在以上范围内时，沟槽113可以有效减小衬底主体11所需要的传热路径的同时，衬底主体11具有足够的支撑强度，保证第二表面上的外延材料可以稳定生长。
需要说明的是，在垂直于第一表面的方向上，沟槽113的每个位置的深度H3均相同。
示例性地，沟槽113的最小宽度B2可为100～500um。
沟槽113的最小宽度B2在以上范围内时，可以控制沟槽113与圆形凹槽的底面之间有足够的空间与间隙，保证传热的稳定性与均匀性。
可选地，在由第一表面指向第二表面的方向上，沟槽113的最小宽度B2减小。可以边缘热量的传递，且保持衬底主体11的支撑强度。
图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制备方法流程图，如图3所示，该发光二极管外延片的制备方法包括：
S101：提供一复合衬底，复合衬底包括衬底主体与接触层，衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，接触层层叠在衬底主体的第一表面，接触层包括多个沿衬底主体均匀分布且相互间隔的凸起，在由第二表面指向第一表面的方向上，凸起的宽度减小。
S102：在第二表面生长外延层。
图3中所示方法的具体技术效果可参考图1中所示的发光二极管外延片结构的技术效果，因此此处不再赘述。
可选地，步骤S101，包括：
提供一衬底主体，衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面。在第一表面沉积接触膜层。对接触膜层进行处理以形成多个均匀分布且相互间隔在第一表面上的过渡圆柱。对每个过渡圆柱进行打磨得到多个凸起以得到接触层。
采用先提供衬底主体，再在衬底主体上制备接触膜层之后，继而依次形成过渡圆柱与凸起，可以便于复合衬底的成形，并且得到的凸起的形状的精度也比较高。
示例性地，接触膜层可通过氢化物气相外延设备进行生长。得到的接触膜层的质量较好且较为致密，保证得到的接触膜层的膨胀系数会较小。
可选地，对接触膜层进行处理以形成多个均匀分布且相互间隔在第一表面上的过渡圆柱，包括：
在接触膜层上涂覆光刻胶；对光刻胶依次进行曝光、显影形成图案；对光刻胶形成的图案内暴露的接触膜层进行刻蚀，得到多个过渡圆柱；去除光刻胶。可以便于过渡圆柱的获取。
示例性地，对每个过渡圆柱进行打磨得到多个凸起以得到接触层，包括：
干法刻蚀每个过渡圆柱以使过渡圆柱变成锥体；对锥体的外周壁进行打磨以形成半球状的凸起。可以获得质量较好的半球状的凸起。
为便于理解，此处可提供图4，图4是本公开实施例提供的复合衬底的中间结构图，参考图4可知，干法刻蚀每个过渡圆柱以使过渡圆柱变成锥体之后，对锥体的外周壁进行打磨以形成半球状的凸起之前，衬底主体11的第一表面111层叠有多个锥体100与光刻胶200。
步骤S102，则可包括，在衬底主体的第二表面上依次生长n型层、发光层与p型层，得到外延片。
执行完步骤S102之后的发光二极管外延片结构则可参见图1。
图5是本公开实施例提供的另一种具有复合衬底的发光二极管外延片制备方法流程图，如图5所示，该发光二极管外延片的制备方法包括：
S201：提供一复合衬底，复合衬底包括衬底主体与接触层，衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，接触层层叠在衬底主体的第一表面，接触层包括多个沿衬底主体均匀分布且相互间隔的凸起，在由第二表面指向第一表面的方向上，凸起的宽度减小。
步骤S201可参考图3中制备方法所示的步骤S101，因此此处不再赘述。
S202：在复合衬底上生长GaN缓冲层。
示例性地，GaN缓冲层的生长温度可为530～560℃，压力可为200～500mtorr。得到的GaN缓冲层的质量较好。
S203：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℃，生长压力控制在100～300torr。得到的非掺杂GaN层的质量较好。
S204：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℃，n型GaN层的生长压力可为100～300Torr。
可选地，n型GaN层的厚度可为0.5～3um。
S205：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。反应室压力控制在200torr。生长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。
S206：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℃，AlGaN电子阻挡层的生长压力可为100～300Torr。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。
S207：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层的生长压力可为200～600Torr，p型GaN层的生长温度可为800～1000℃。
S208：在p型GaN层上生长p型接触层。
可选地，p型接触层的生长压力可为100～300Torr，p型接触层的生长温度可为800～1000℃。
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S208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复合衬底1及生长在复合衬底1上外延层2，外延层2包括依次层叠在复合衬底1上的GaN缓冲层24、非掺杂GaN层25、n型GaN层21、发光层22、AlGaN电子阻挡层26、p型GaN层23及p型接触层27。
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，复合衬底也可以用于生长其他类型的发光二极管外延片，或者生长不同的半导体外延片，本公开对此不做限制。
以上，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 (8)
1.一种具有复合衬底的发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括复合衬底及依次层叠在所述复合衬底上的外延层，所述复合衬底包括衬底主体与接触层，所述衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，
所述接触层层叠在所述衬底主体的第一表面，所述接触层包括多个沿所述衬底主体均匀分布且相互间隔的凸起，在由所述第二表面指向所述第一表面的方向上，所述凸起的宽度减小，所述接触层的热膨胀系数小于所述衬底主体的热膨胀系数，所述接触层的材料为SiO2、Si3N4、Mo-Cu合金、AlN与Si中的一种，
所述外延层层叠在所述衬底主体的第二表面。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述接触层的高度与所述衬底主体的厚度之比为1:1~4:1。
3.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述凸起的高度为30~100um。
4.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，相邻的两个所述凸起之间的最小距离为120~600um。
5.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述衬底主体的第一表面具有沟槽，所述沟槽与所述接触层间隔分布。
6.根据权利要求5所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述沟槽的深度与所述衬底主体的厚度之比为1:5~1:2。
7.一种具有复合衬底的发光二极管外延片的制备方法，其特征在于，所述具有复合衬底的发光二极管外延片及其制备方法包括：
提供一复合衬底，所述复合衬底包括衬底主体与接触层，所述衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，所述接触层层叠在所述衬底主体的第一表面，所述接触层包括多个沿所述衬底主体均匀分布且相互间隔的凸起，在由所述第二表面指向所述第一表面的方向上，所述凸起的宽度减小；
在所述第二表面生长外延层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述提供一复合衬底，包括：
提供一衬底主体，所述衬底主体包括相互平行且相反的第一表面与第二表面；
在所述第一表面沉积接触膜层；
对所述接触膜层进行处理以形成多个均匀分布且相互间隔在所述第一表面上的过渡圆柱；
对每个所述过渡圆柱进行打磨得到多个所述凸起以得到所述接触层。
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