CN113652667A - 改善外延片波长均匀性的石墨基板 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种改善外延片波长均匀性的石墨基板，属于半导体技术领域。石墨基板包括多个子基板和连接轴，多个子基板的结构均相同，每个子基板均为扇形，多个子基板围绕连接轴的周向间隔布置，且多个子基板的一端均与连接轴连接；每个子基板的上表面均具有多个弧形区域，每个弧形区域内均具有用于容纳衬底的至少一个凹槽，且多个子基板上的同一弧形区域内的至少一个凹槽呈环形布置；从子基板的靠近连接轴的一端至子基板的远离连接轴的一端，每个弧形区域的厚度逐渐减小。在本公开提供的石墨基板上生长外延片，可以改善在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。

Description

改善外延片波长均匀性的石墨基板
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种改善外延片波长均匀性的石墨基板。
背景技术
半导体发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)是一种可以把电能转化成光能的半导体二极管。LED具有高效节能、绿色环保的优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用。尤其是利用大功率LED实现半导体固态照明，有望成为新一代光源进入千家万户，引起人类照明史的革命。
外延片是LED制作过程中的初级成品。形成外延片时，将衬底放置在金属有机化合物化学气相沉淀(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)设备的反应腔内的托盘上，MOCVD设备中的加热丝提供的热能通过托盘传导到衬底，同时向反应腔内通入原材料(如Mo源)，在衬底上外延生长半导体材料形成外延片。现在的托盘大部分是采用石墨基板。石墨基板上设有多个凹槽，一个凹槽中可以容纳一个衬底。
在实现本公开的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
通入的Mo源气体到达石墨盘表面后，在衬底上外延生长半导体材料形成外延片，然后Mo源气体会在石墨基板的表面铺展，从石墨基板的中心向石墨基板的边缘流动，在石墨基板的边缘处被MOCVD设备尾端的主泵抽走。然而Mo源气流在沿石墨基板的径向流动的过程中，Mo源气流会产生消耗，导致石墨基板不同位置的Mo源分布不均，从而使得在石墨基板的不同凹槽中生长出的外延片的波长一致性较差。再加上石墨基板高速旋转会进一步加剧这种差异性。
发明内容
本公开实施例提供了一种改善外延片波长均匀性的石墨基板，可以改善在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种改善外延片波长均匀性的石墨基板，所述石墨基板包括多个子基板和连接轴，所述多个子基板的结构均相同，每个所述子基板均为扇形，所述多个子基板围绕所述连接轴的周向间隔布置，且所述多个子基板的一端均与所述连接轴连接；
每个所述子基板的上表面均具有多个弧形区域，每个所述弧形区域内均具有用于容纳衬底的至少一个凹槽，且所述多个子基板上的同一弧形区域内的所述至少一个凹槽呈环形布置；
从所述子基板的靠近所述连接轴的一端至所述子基板的远离所述连接轴的一端，每个所述弧形区域的厚度逐渐减小。
可选地，所述多个子基板的个数为n，n＝2m，m表示单个所述子基板上的所述弧形区域的个数，1≤m。
可选地，每个所述弧形区域的最大厚度和最小厚度的差值为1～5mm。
可选地，每个所述弧形区域的厚度均为5～20mm。
可选地，每个所述子基板对应的扇形圆心角为30°～90°。
可选地，从所述子基板的靠近所述连接轴的一端至所述子基板的远离所述连接轴的一端，所述多个弧形区域内的所述凹槽的个数逐渐增多。
可选地，所述连接轴为直径为10～20cm的圆柱。
可选地，所述连接轴的轴向长度等于所述子基板的最大厚度。
可选地，所述多个子基板和所述连接轴为一体成型结构。
可选地，所述多个子基板和所述连接轴均由石墨基材制成，且所述多个子基板的上表面均镀有碳化硅涂层。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将石墨基板设置成包括多个子基板和连接轴的结构。其中，多个子基板均为扇形，多个子基板围绕连接轴的周向间隔布置，且多个子基板的一端均与连接轴连接。这样可以将石墨基板分成多个区域。当Mo源气流到达石墨盘表面后，Mo源气流可以快速从各个扇形的子基板边缘被抽走，而无需沿石墨基板的径向铺展，从而可以使得石墨基板各位置的MO源分布更均匀，进而可以改善在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。同时，本公开还进一步将各个子基板的上表面划分成了多个弧形区域，从子基板的靠近连接轴的一端至子基板的远离连接轴的一端，多个弧形区域中的每个弧形区域的厚度均由厚至薄变化，可以形成多个坡形区域。且每个弧形区域内均具有用于容纳衬底的至少一个凹槽，可以实现外延生长。这样，Mo源气流在达到石墨基板表面的各个坡形区域内后，可以进行局部气流调节，平衡局域小环境流，使得MO源的分布更均匀，进一步改善在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。
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改善外延片波长均匀性的石墨基板的俯视图；
图2是本公开实施例提供的一种改善外延片波长均匀性的石墨基板的正视图；
图3是在本公开实施例提供的石墨基板上生长外延片的生长方法；
图4是在现有的石墨基板上生长的外延片发光波长的示意图；
图5是本公开实施例提供的石墨基板上生长的外延片发光波长的示意图。
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。
图1是本公开实施例提供的一种改善外延片波长均匀性的石墨基板的俯视图，如图1所示，石墨基板100包括多个子基板110和连接轴120，多个子基板110的结构均相同，每个子基板110均为扇形。多个子基板110围绕连接轴120的周向间隔布置，且多个子基板110的一端均与连接轴120连接。
每个子基板110的上表面均具有多个弧形区域S。每个弧形区域S内均具有用于容纳衬底的至少一个凹槽a，且多个子基板110上的同一弧形区域S内的至少一个凹槽a呈环形布置。
需要说明的是，以图1为例，图1中石墨基板具有四个子基板110，每个子基板110的上表面均具有第一弧形区域S1和第二弧形区域S2。其中，四个子基板110中的第一弧形区域S1内的所有凹槽a呈环形布置，四个子基板110中的第二弧形区域S2内的所有凹槽a呈环形布置。
图2是本公开实施例提供的一种改善外延片波长均匀性的石墨基板的正视图，如图2所示，从子基板110的靠近连接轴120的一端至子基板110的远离连接轴120的一端，多个弧形区域S中的每个弧形区域S的厚度均由厚至薄变化。
本公开实施例通过将石墨基板设置成包括多个子基板和连接轴的结构。其中，多个子基板均为扇形，多个子基板围绕连接轴的周向间隔布置，且多个子基板的一端均与连接轴连接。这样可以将石墨基板分成多个区域。当Mo源气流到达石墨盘表面后，Mo源气流可以快速从各个扇形的子基板边缘被抽走，而无需沿石墨基板的径向铺展，从而可以使得石墨基板各位置的MO源分布更均匀，进而可以改善在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。同时，本公开还进一步将各个子基板的上表面划分成了多个弧形区域，从子基板的靠近连接轴的一端至子基板的远离连接轴的一端，多个弧形区域中的每个弧形区域的厚度均由厚至薄变化，可以形成多个坡形区域。且每个弧形区域内均具有用于容纳衬底的至少一个凹槽，可以实现外延生长。这样，Mo源气流在达到石墨基板表面的各个坡形区域内后，可以进行局部气流调节，平衡局域小环境流，使得MO源的分布更均匀，进一步改善在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。
需要说明的是，本公开实施例提供的石墨基板适用于垂直式反应室，即反应源(如Mo源)通入的方向与石墨基板表面垂直。
可选地，多个子基板110的个数为n，n＝2m，m表示单个子基板上的弧形区域的个数，1≤m。
例如，图1中，每个子基板上的弧形区域的个数为2，即m＝2，则多个子基板110的个数为n＝2*2＝4。
若子基板110的个数过少，则起不到较好的提高Mo源分布的均匀性的作用，若子基板110的个数过多，则会增加制造难度。
可选地，每个弧形区域S的最大厚度和最小厚度的差值Δd为1～5mm。
若每个弧形区域S的厚度的差值Δd过大，会导致弧形区域间的温场差异过大，影响均匀性。差值Δd过小，对局部气流的改善效果又会减弱。
可选地，每个弧形区域S的厚度均为5～20mm。
若每个弧形区域S的厚度过薄，会影响石墨基板的正常使用，若每个弧形区域S的厚度过厚又会导致弧形区域内温场差别过大，影响生长出的外延片的波长均匀性。
示例性地，每个弧形区域S的厚度由15mm逐渐减小到10mm。
可选地，每个子基板110对应的扇形圆心角α为30°～90°。
若每个子基板110对应的扇形圆心角α过大，则起不到较好的提高Mo源分布的均匀性的作用；若每个子基板110对应的扇形圆心角α过小，则会增加制造难度。
可选地，从子基板110的靠近连接轴120的一端至子基板110的远离连接轴120的一端，多个弧形区域S内的凹槽a的个数逐渐增多。
示例性地，参见图2，图2中子基板110上表面具有第一弧形区域S1和第二弧形区域S2。其中，第二弧形区域S2位于子基板110的边缘。第一弧形区域S1内具有1个凹槽a，第二弧形区域S2内具有3个凹槽a。由于越靠近子基板110的边缘，弧形区域S的面积越大，因此，可以设置的凹槽a的数量就越多，以便于容纳更多的衬底，实现外延生长。
可选地，连接轴120为直径为10～20cm的圆柱，以保证其连接强度。
可选地，参见图2，连接轴120的轴向长度大于等于子基板110的最大厚度dmax。
可选地，多个子基板110和连接轴120为一体成型结构，以便于实际生长制造。
可选地，多个子基板110和连接轴120均由石墨基材制成，且多个子基板110的上表面均镀有碳化硅涂层。其中，子基板110上的多个凹槽a的各个面上也涂覆有碳化硅涂层。
为了更好的理解本申请，以下示例性地说明下，在本公开实施例中提供的石墨基板上生长的外延片的具体结构以及外延片的具体生长过程。
该外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的缓冲层、未掺杂的氮化镓层、N型层、有源层、P型层以及P型接触层。
可选地，衬底为蓝宝石衬底、Si或SiC衬底。
可选地，缓冲层为GaN层，厚度为15～35nm。
可选地，未掺杂的GaN层的厚度为1～5um。
可选地，N型层为掺Si的GaN层，厚度为1um～2um。N型层中Si的掺杂浓度可以为1018cm-3～1020cm-3。
可选地，有源层包括n个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层，2≤n≤10。且n为正整数。每个InGaN阱层的厚度为2～3nm，每个GaN垒层的厚度为7～10nm。
可选地，P型层为掺Mg的氮化镓层，厚度为50～100nm，Mg的掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。
可选地，P型接触层为掺Mg的氮化镓层，厚度10～25nm，Mg的掺杂浓度为5*1019cm-3～1*1020cm-3。
需要说明的是，上述提供的外延片仅为一种示例性地结构，实际外延生长过程中，还可以为其它外延结构，本公开实施例对此不做限制。
图3是在本公开实施例提供的石墨基板上生长外延片的生长方法，如图3所示，该生长方法包括：
步骤301、提供一衬底。
其中，衬底可采用蓝宝石平片衬底。
进一步地，步骤301还可以包括：
控制温度为1000℃～1200℃，在氢气气氛中对衬底进行6分钟～10分钟退火处理；
对衬底进行氮化处理。
通过上述步骤清洁衬底的表面，避免杂质掺入外延片中，有利于提高外延片的生长质量。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 or RB MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延片的生长方法。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作为氮源，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，即Si源，三甲基铝(TMAl)作为铝源，二茂镁(CP2Mg)作为P型掺杂剂，即Mg源。反应室压力为100-600torr。
步骤302、在衬底上生长缓冲层。
示例性地，控制反应腔温度为400℃～600℃，压力为200～500torr，生长厚度为15～35nm的缓冲层。
步骤303、对缓冲层进行原位退火处理。
示例性地，控制反应室温度在1000℃～1200℃，压力为100～300mbar，对成核层进行原位退火处理，时间在5分钟至10分钟之间。
步骤304、在缓冲层上生长未掺杂的氮化镓层。
示例性地，控制反应腔温度为1000℃～1100℃，压力为100～500torr，生长厚度为1～5um的未掺杂的GaN层。
步骤305、在未掺杂的氮化镓层上生长N型层。
其中，N型层的厚度可以为1～5um，N型层中Si的掺杂浓度可以为1018/cm3～1020/cm3。
示例性地，控制反应腔内的温度为1000℃～1200℃，压力为100～500torr，在未掺杂的GaN层上生长厚度为1～5um的N型层。
步骤306、在N型层上生长有源层。
其中，有源层包括n个周期交替生长的InGaN阱层和GaN垒层，2≤n≤10。且n为正整数。
可选地，每个InGaN阱层的厚度为2～3nm，每个GaN垒层的厚度为7～10nm。
步骤307、在有源层上生长P型层。
其中，P型层为掺Mg的氮化镓层，厚度为50～100nm，Mg的掺杂浓度为1018cm-3～1020cm-3。P型接触层的生长温度为800～1000℃，生长压力为200～500torr。
步骤308、在P型层上生长P型接触层。
其中，P型接触层为掺Mg的氮化镓层，厚度10～25nm，Mg的掺杂浓度为5*1019cm-3～1*1020cm-3。P型接触层的生长温度为700～900℃，生长压力为200～400torr。
本公开实施例提供的石墨基板的一种具体实现包括：石墨基板100包括四个子基板110和一个连接轴120，四个子基板110均为扇形。四个子基板110围绕连接轴120的周向间隔布置，且四个子基板110的一端均与连接轴120连接。
每个子基板110的结构均相同。每个子基板110上均具有第一弧形区域S1和第二圆弧区域S2，第一圆弧区域S1内均具有一个凹槽a，第二圆弧区域S2内均具有三个凹槽a。其中，四个子基板110中的第一弧形区域S1内的所有凹槽a呈环形布置，四个子基板110中的第二弧形区域S2内的所有凹槽a呈环形布置。
从子基板110的靠近连接轴120的一端至子基板110的远离连接轴120的一端，多个弧形区域S中的每个弧形区域S的厚度均由厚至薄变化。
可选地，每个弧形区域S的最大厚度和最小厚度的差值Δd为3mm。
可选地，每个弧形区域S的厚度由10mm逐渐减小至7mm。
可选地，每个子基板110对应的扇形角度为90°。
可选地，连接轴120为直径为15cm的圆柱。
图4是在现有的石墨基板上生长的外延片发光波长的示意图，参见图4，可同一个外延片靠近石墨基板100的中心的区域和远离石墨基板100的中心的区域在发光波长上是不同的(即图4中同一外延片中靠近石墨基板和远离石墨基板的区域的灰度差异较大)，特别是远离石墨基板100的中心的十个外延片在发光波长上的差异比较明显(即图4中位于最外圈的十个外延片之间的灰度差异较大)。
图5是本公开实施例提供的石墨基板上生长的外延片发光波长的示意图，参见图5，相比于图4，同一个外延片靠近石墨基板100的中心的区域和远离石墨基板100的中心的区域在发光波长上的差异很小(即图5中同一外延片中靠近石墨基板和远离石墨基板的区域的灰度差异较小)，特别是远离石墨基板100的中心的十个外延片在发光波长上的差异明显减小(即图5中位于最外圈的十个外延片之间的灰度差异较小)。
需要说明的是，图4和图5中的数字1至数字14为石墨基板上各个凹槽的示例性编号，仅用于区分石墨基板上不同的凹槽。
本公开实施例通过将石墨基板设置成包括多个子基板和连接轴的结构。其中，多个子基板均为扇形，多个子基板围绕连接轴的周向间隔布置，且多个子基板的一端均与连接轴连接。这样可以将石墨基板分成多个区域。当Mo源气流到达石墨盘表面后，Mo源气流可以快速从各个扇形的子基板边缘被抽走，而无需沿石墨基板的径向铺展，从而可以使得石墨基板各位置的MO源分布更均匀，进而可以改善在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。同时，本公开还进一步将各个子基板的上表面划分成了多个弧形区域，从子基板的靠近连接轴的一端至子基板的远离连接轴的一端，多个弧形区域中的每个弧形区域的厚度均由厚至薄变化，可以形成多个坡形区域。且每个弧形区域内均具有用于容纳衬底的至少一个凹槽，可以实现外延生长。这样，Mo源气流在达到石墨基板表面的各个坡形区域内后，可以进行局部气流调节，平衡局域小环境流，使得MO源的分布更均匀，进一步改善在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。
本公开实施例提供的石墨基板的另一种具体实现包括：石墨基板100包括六个子基板110和连接轴120，六个子基板110均为扇形。六个子基板110围绕连接轴120的周向间隔布置，且六个子基板110的一端均与连接轴120连接。
每个子基板110的结构均相同。每个子基板110上均具有第一弧形区域、第二圆弧区域和第三圆弧区域。第一圆弧区域内均具有一个凹槽a，第二圆弧区域内均具有三个凹槽a，第二圆弧区域内均具有五个凹槽a。其中，六个子基板110中的第一弧形区域内的所有凹槽a呈环形布置，六个子基板110中的第二弧形区域内的所有凹槽a呈环形布置，六个子基板110中的第三弧形区域内的所有凹槽a呈环形布置。
从子基板110的靠近连接轴120的一端至子基板110的远离连接轴120的一端，三个弧形区域S中的三个弧形区域S的厚度均由厚至薄变化。
可选地，每个弧形区域S的最大厚度和最小厚度的差值Δd为5mm。
可选地，每个弧形区域S的厚度由10mm逐渐减小至5mm。
可选地，每个子基板110对应的扇形角度为60°。
可选地，连接轴120为直径为15cm的圆柱。
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。“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。
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 (10)

1.一种改善外延片波长均匀性的石墨基板，其特征在于，所述石墨基板包括多个子基板和连接轴，所述多个子基板的结构均相同，每个所述子基板均为扇形，所述多个子基板围绕所述连接轴的周向间隔布置，且所述多个子基板的一端均与所述连接轴连接；
每个所述子基板的上表面均具有多个弧形区域，每个所述弧形区域内均具有用于容纳衬底的至少一个凹槽，且所述多个子基板上的同一弧形区域内的所述至少一个凹槽呈环形布置；
从所述子基板的靠近所述连接轴的一端至所述子基板的远离所述连接轴的一端，所述多个弧形区域中的每个所述弧形区域的厚度均由厚至薄变化。
2.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，所述多个子基板的个数为n，n＝2m，m表示单个所述子基板上的所述弧形区域的个数，1≤m。
3.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，每个所述弧形区域的最大厚度和最小厚度的差值为1～5mm。
4.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，每个所述弧形区域的厚度均为5～20mm。
5.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，每个所述子基板对应的扇形圆心角为30°～90°。
6.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，从所述子基板的靠近所述连接轴的一端至所述子基板的远离所述连接轴的一端，所述多个弧形区域内的所述凹槽的个数逐渐增多。
7.根据权利要求1至6任一项所述的石墨基板，其特征在于，所述连接轴为直径为10～20cm的圆柱。
8.根据权利要求7所述的石墨基板，其特征在于，所述连接轴的轴向长度等于所述子基板的最大厚度。
9.根据权利要求1至6任一项所述的石墨基板，其特征在于，所述多个子基板和所述连接轴为一体成型结构。
10.根据权利要求1至6任一项所述的石墨基板，其特征在于，所述多个子基板和所述连接轴均由石墨基材制成，且所述多个子基板的上表面均镀有碳化硅涂层。
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