CN113652742B - 用于提高外延片波长一致性的石墨基板 - Google Patents

用于提高外延片波长一致性的石墨基板 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种用于提高外延片波长一致性的石墨基板，属于半导体技术领域。所述石墨基板为多棱柱结构，所述石墨基板的外周壁具有多个棱柱面，且任意相邻的两个所述棱柱面的连接处均具有一个V型槽，所述V型槽沿所述石墨基板的径向向内凹陷，且所述V型槽长度等于所述石墨基板的轴向长度。在本公开提供的石墨基板上生长外延片，可以使得外延片各个区域的发光波长一致，从而可以提高外延片的片内均匀性，保证边缘良率。

Description

用于提高外延片波长一致性的石墨基板
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种用于提高外延片波长一致性的石墨基板。
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，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：
石墨基板在外延片形成过程中高速旋转，高转速下的石墨基板表面存在气体流动，从而会影响外延片生长过程中反应腔内通入的Mo源的气体分布。且距离石墨基板的中心越远，MO源的分布会出现不均匀。尤其是石墨基板的边缘位置所受离心力最大，线速度最大，会加剧MO源气流的流速，导致石墨基板的边缘波长的异常偏短或偏长的现象。
发明内容
本公开实施例提供了一种用于提高外延片波长一致性的石墨基板，可以提高在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长一致性。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种用于提高外延片波长一致性的石墨基板，所述石墨基板为多棱柱结构，所述石墨基板的外周壁具有多个棱柱面，且任意相邻的两个所述棱柱面的连接处均具有一个V型槽，所述V型槽沿所述石墨基板的径向向内凹陷，且所述V型槽长度等于所述石墨基板的轴向长度。
可选地，所述石墨基板的上表面具有用于容纳衬底的多圈凹槽，所述多圈凹槽呈环形排列在所述石墨基板的上表面上，所述多圈凹槽中最靠近所述石墨基板边缘的一圈凹槽为第一圈凹槽，所述第一圈凹槽包括沿所述石墨基板的周向间隔布置的多个第一凹槽；
所述多个棱柱面与所述多个第一凹槽一一对应，每个所述第一凹槽均位于对应的所述棱柱面两侧的两个所述V型槽之间。
可选地，每个所述棱柱面至对应的所述第一凹槽之间的最小距离为L1， 10mm≤L1≤50mm。
可选地，每个所述V型槽的侧壁至对应的所述第一凹槽之间的最小距离为 L2，L2＝L1。
可选地，所述第一圈凹槽包括8～12个所述第一凹槽。
可选地，所述石墨基板的上表面具有n圈凹槽，2≤n≤6。
可选地，每个所述棱柱面的宽度均为10～30cm。
可选地，每个所述V型槽的侧壁的宽度均为2～10cm。
可选地，所述石墨基板为以石墨作为基材，且表面镀有碳化硅涂层的结构。
可选地，所述石墨基板的厚度为10mm～20mm。
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多棱柱结构，以调整边沿高速气流的流场，减少腔体边沿气流对外延片生长的影响，提高外延片的均匀性。其中，石墨基板的外周壁具有多个棱柱面，且任意相邻的两个棱柱面的连接处均具有一个V型槽， V型槽沿石墨基板的径向向内凹陷，且V型槽长度等于石墨基板的轴向长度。通过设置V型槽，可以增大边沿气流流走的空间。边沿气流流走的空间变大，有利于预反应及多余Mo源的快速抽走，对于位于石墨基板上的不同圈次间的外延片的一致性提升有好处。因此，采用本公开提供的石墨基板，可以提高在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长一致性。
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用于提高外延片波长一致性的石墨基板的结构示意图；
图2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流程图；
图3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4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用于提高外延片波长一致性的石墨基板的结构示意图，如图1所示，该石墨基板100为多棱柱结构，石墨基板100的外周壁具有多个棱柱面110，且任意相邻的两个棱柱面110的连接处均具有一个 V型槽100a，V型槽100a沿石墨基板100的径向向内凹陷，且V型槽100a长度等于石墨基板100的轴向长度。
本公开实施例通过将石墨基板设置成多棱柱结构，以调整边沿高速气流的流场，减少腔体边沿气流对外延片生长的影响，提高外延片的均匀性。其中，石墨基板的外周壁具有多个棱柱面，且任意相邻的两个棱柱面的连接处均具有一个V型槽，V型槽沿石墨基板的径向向内凹陷，且V型槽长度等于石墨基板的轴向长度。通过设置V型槽，可以增大边沿气流流走的空间。边沿气流流走的空间变大，有利于预反应及多余Mo源的快速抽走，对于位于石墨基板上的不同圈次间的外延片的一致性提升有好处。因此，采用本公开提供的石墨基板，可以提高在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长一致性。
可选地，石墨基板100的上表面具有用于容纳衬底的多圈凹槽100b，多圈凹槽100b呈环形排列在石墨基板100的上表面上。多圈凹槽100b中最靠近石墨基板100边缘的一圈凹槽为第一圈凹槽，第一圈凹槽包括沿石墨基板100的周向间隔布置的多个第一凹槽100b-1。
多个棱柱面110与多个第一凹槽100b-1一一对应，每个第一凹槽100b-1 均位于对应的棱柱面110两侧的两个V型槽100a之间。
在具体使用时，当在多个第一凹槽100b-1中放置多个衬底进行外延生长时，每个衬底可以位于对应的棱柱面110两侧的两个V型槽100a之间，从而可以增大各个衬底外延生长时，边沿气流流走的空间，进而有利于预反应及多余Mo源的快速抽走，提升在石墨基板边缘的第一圈凹槽与其它圈凹槽内外延生长的外延片的波长一致性。
需要说明的是，在本公开实施例中，每个棱柱面110均为平面。
可选地，每个棱柱面110至对应的第一凹槽100b-1之间的最小距离为 L1，10mm≤L1≤50mm。
若L1的距离过大，会导致在石墨基板的凹陷处容易形成局部涡流；若L1 的距离过小，则起不到提高外延片波长一致性的作用。
需要说明的，多棱柱结构的各个棱柱面至对应的第一凹槽100b-1之间的最小距离L1可以有变化，以适应不同的流场模型，从而提高外延片波长及良率的一致性。
可选地，每个V型槽100a的侧壁至对应的第一凹槽100b-1之间的最小距离为L2，L2＝L1。
通过设置每个V型槽100a的侧壁至对应的第一凹槽100b-1之间的最小距离，等于每个棱柱面110至对应的第一凹槽100b-1之间的最小距离，可以保证外延生长过程中，Mo源分布的一致性。
在本公开实施例中，每个第一凹槽100b-1与其对应的棱柱面两侧的两个V 型槽100a相对应。
可选地，第一圈凹槽包括8～12个第一凹槽100b-1。
第一凹槽100b-1的个数不宜过多，过多会影响外延生长过程中，Mo源的均匀分布。而第一凹槽100b-1的个数过少，又会降低外延生长的效率。
可选地，石墨基板100的上表面具有n圈凹槽100b，2≤n≤6。
若凹槽100b的圈数过多，会影响外延生长过程中，Mo源的均匀分布。若凹槽100b的圈数过少，又会降低外延生长的效率。
可选地，每个棱柱面110的宽度D均为10～30cm。
若棱柱面110的宽度D过宽，会导致石墨基板100的局部凹陷位置产生涡流，影响流场分布；若棱柱面110的宽度D过窄，又会导致外延片边沿位置温场分布差异明显，影响外延片均匀性。
可选地，每个V型槽100a的侧壁的宽度d均为2～10cm。
若每个V型槽100a的侧壁的宽度d过宽，会导致石墨基板100的局部位置形成涡流，影响流场分布。若每个V型槽100a的侧壁的宽度d过窄，又会导致对外延片均匀性的改善效果不明显。
可选地，石墨基板100为以石墨作为基材，且表面镀有碳化硅涂层的结构。石墨基板100上的多个凹槽100b的各个面上也涂覆有碳化硅涂层。
可选地，石墨基板100的厚度为10mm～20mm。
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2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流程图，如图2所示，该生长方法包括：
步骤201、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201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202、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203、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204、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205、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206、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207、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208、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：该石墨基板100为十棱柱结构，石墨基板100的外周壁具有十个棱柱面110，且任意相邻的两个棱柱面110的连接处均具有一个V型槽100a，V型槽100a沿石墨基板100的径向向内凹陷，且V型槽100a长度等于石墨基板100的轴向长度。
石墨基板100的上表面具有用于容纳衬底的两圈凹槽100b，两圈凹槽 100b呈环形排列在石墨基板100的上表面上。两圈凹槽100b包括靠近石墨基板100边缘的第一圈凹槽和靠近石墨基板100中心的第二圈凹槽。其中，第一圈凹槽包括沿石墨基板100的周向间隔布置的十个第一凹槽100b-1。第二圈凹槽包括沿石墨基板100的周向间隔布置的四个第二凹槽。
十个棱柱面110与十个第一凹槽100b-1一一对应，每个第一凹槽100b-1 均位于对应的棱柱面110两侧的两个V型槽100a之间。
可选地，每个棱柱面至对应的第一凹槽之间的最小距离为L1， L1＝30mm。
可选地，每个V型槽100a的侧壁至对应的第一凹槽之间的最小距离为 L2，L2＝L1。
可选地，每个棱柱面110的宽度D均为20cm。
可选地，每个V型槽100a的侧壁的宽度d均为6cm。
图3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3，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3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3中位于最外圈的十个外延片之间的灰度差异较大)。
图4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4，相比于图3，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4中位于最外圈的十个外延片之间的灰度差异较小)。
本公开实施例通过将石墨基板设置成多棱柱结构，以调整边沿高速气流的流场，减少腔体边沿气流对外延片生长的影响，提高外延片的均匀性。其中，石墨基板的外周壁具有多个棱柱面，且任意相邻的两个棱柱面的连接处均具有一个V型槽，V型槽沿石墨基板的径向向内凹陷，且V型槽长度等于石墨基板的轴向长度。通过设置V型槽，可以增大边沿气流流走的空间。边沿气流流走的空间变大，有利于预反应及多余Mo源的快速抽走，对于位于石墨基板上的不同圈次间的外延片的一致性提升有好处。因此，采用本公开提供的石墨基板，可以提高在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长一致性。
本公开实施例提供的石墨基板的另一种具体实现包括：该石墨基板100为十棱柱结构，石墨基板100的外周壁具有十六个棱柱面110，且任意相邻的两个棱柱面110的连接处均具有一个V型槽100a，V型槽100a沿石墨基板100 的径向向内凹陷，且V型槽100a长度等于石墨基板100的轴向长度。
石墨基板100的上表面具有用于容纳衬底的三圈凹槽100b，三圈凹槽 100b呈环形排列在石墨基板100的上表面上。三圈凹槽100b中包括最靠近石墨基板100边缘的第一圈凹槽、最靠近石墨基板100中心的第三圈凹槽、以及位于第一圈凹槽和第三圈凹槽之间的第二圈凹槽。其中，第一圈凹槽包括沿石墨基板100的周向间隔布置的十六个第一凹槽100b-1。第二圈凹槽包括沿石墨基板100的周向间隔布置的四个第二凹槽。第三圈凹槽包括沿石墨基板100的周向间隔布置的十个第三凹槽。
十六个棱柱面110与十六个第一凹槽100b-1一一对应，每个第一凹槽 100b-1均位于对应的棱柱面110两侧的两个V型槽100a之间。
可选地，每个棱柱面至对应的第一凹槽之间的最小距离为L1， L1＝20mm。
可选地，每个V型槽100a的侧壁至对应的第一凹槽之间的最小距离为 L2，L2＝L1。
可选地，每个棱柱面110的宽度均为10cm。
可选地，每个V型槽100a的侧壁的宽度均为4cm。
本公开实施例通过将石墨基板设置成多棱柱结构，以调整边沿高速气流的流场，减少腔体边沿气流对外延片生长的影响，提高外延片的均匀性。其中，石墨基板的外周壁具有多个棱柱面，且任意相邻的两个棱柱面的连接处均具有一个V型槽，V型槽沿石墨基板的径向向内凹陷，且V型槽长度等于石墨基板的轴向长度。通过设置V型槽，可以增大边沿气流流走的空间。边沿气流流走的空间变大，有利于预反应及多余Mo源的快速抽走，对于位于石墨基板上的不同圈次间的外延片的一致性提升有好处。因此，采用本公开提供的石墨基板，可以提高在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长一致性。
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 (4)

1.一种用于提高外延片波长一致性的石墨基板，其特征在于，所述石墨基板为多棱柱结构，所述石墨基板的外周壁具有多个棱柱面，且任意相邻的两个所述棱柱面的连接处均具有一个V型槽，所述V型槽沿所述石墨基板的径向向内凹陷，且所述V型槽长度等于所述石墨基板的轴向长度；
所述石墨基板的上表面具有用于容纳衬底的多圈凹槽，所述多圈凹槽呈环形排列在所述石墨基板的上表面上，所述多圈凹槽中最靠近所述石墨基板边缘的一圈凹槽为第一圈凹槽，所述第一圈凹槽包括沿所述石墨基板的周向间隔布置的多个第一凹槽，所述多个棱柱面与所述多个第一凹槽一一对应，每个所述第一凹槽均位于对应的所述棱柱面两侧的两个所述V型槽之间，每个所述棱柱面至对应的所述第一凹槽之间的最小距离为L1，10mm≤L1≤50mm；
所述第一圈凹槽包括8～12个所述第一凹槽，所述石墨基板的上表面具有n圈凹槽，2≤n≤6，每个所述棱柱面的宽度均为10～30cm，每个所述V型槽的侧壁的宽度均为2～10cm。
2.根据权利要求1所述的石墨基板，其特征在于，每个所述V型槽的侧壁至对应的所述第一凹槽之间的最小距离为L2，L2＝L1。
3.根据权利要求1或2所述的石墨基板，其特征在于，所述石墨基板为以石墨作为基材，且表面镀有碳化硅涂层的结构。
4.根据权利要求3所述的石墨基板，其特征在于，所述石墨基板的厚度为10mm～20mm。
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