CN114686977A - 提高衬底温度均匀性的外延托盘 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了一种提高衬底温度均匀性的外延托盘，属于外延生长技术领域。外延托盘为圆柱体状，外延托盘包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，外延托盘在第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个衬底放置圈都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，圆形凹槽的底面具有同心的环形支撑凸起。外延托盘的第二表面多个同心的调节圈，每个调节圈均包括沿外延托盘周向均匀分布的圆形调节槽，圆形调节槽的直径小于环形支撑凸起的内径，每个圆形调节槽在第一表面的正投影的圆心均与一个圆形凹槽的底面圆心重合，降低衬底的圆心部分与衬底的边缘部分的温度差，温度更为均匀。
Description
技术领域
本公开涉及外延生长技术领域，特别涉及一种提高衬底温度均匀性的外延托盘。
背景技术
外延托盘是金属有机化合物化学气相沉积(英文：Metal-organic ChemicalVapor Deposition，简称：MOCVD)设备的一部分，且外延托盘通常位于MOCVD设备的反应腔内。外延托盘通常为圆柱体，外延托盘的一端的端面上设置有多个同心的衬底放置圈，每个衬底放置圈都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽。外延托盘的另一端的端面与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。后续向MOCVD设备的反应腔通入反应气流，反应气流在衬底上进行生长以得到外延片。由于外延生长过程中衬底圆边会与外延托盘正面凹槽内的镶边接触，使得衬底圆边温度高，衬底中心温度低，衬底整体的温度不均匀会导致外延片内的波长不均匀。
发明内容
本公开实施例提供了一种提高外延片发光均匀度的外延托盘，能够提高对外延托盘上的衬底温度均匀性以提高在衬底上生长的外延层的波长均匀度。所述技术方案如下：
本公开实施例提供了一种外延托盘，所述外延托盘为圆柱体，所述外延托盘包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，所述外延托盘在所述第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个所述衬底放置圈都包括多个沿所述外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，所述圆形凹槽的底面具有同心的环形支撑凸起，
所述外延托盘的第二表面具有多个同心的调节圈，每个所述调节圈均包括沿所述外延托盘周向均匀分布的圆形调节槽，每个所述圆形调节槽在所述第一表面的正投影的圆心均与一个所述圆形凹槽的底面圆心重合，所述圆形调节槽的直径小于所述环形支撑凸起的内径。
可选地，所述环形支撑凸起的内径为所述圆形调节槽的直径的1/5～1/6。
可选地，所述圆形调节槽的直径大于零且所述圆形调节槽的直径小于所述圆形凹槽的半径。
可选地，所述圆形调节槽的深度在由所述圆形调节槽的圆心指向所述圆形调节槽的边缘的径向上减小。
可选地，在由所述圆形调节槽的圆心指向所述圆形调节槽的边缘的径向上，所述圆形调节槽的直径每增加2.5cm～5cm，所述圆形调节槽的深度减小0.1mm～0.4mm。
可选地，所述圆形调节槽的最大深度小于所述圆形凹槽的最大深度。
可选地，所述圆形调节槽的最大深度为0.5～2.0mm。
可选地，所述环形支撑凸起的深度为0.5～1.0mm。
可选地，所述环形支撑凸起的宽度为0.5～1.0mm。
可选地，所述圆形凹槽的深度为1.0～2.0mm。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
外延托盘为圆柱体状，外延托盘包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，外延托盘在第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个衬底放置圈都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，圆形凹槽的底面具有同心的环形支撑凸起。圆形凹槽可以提供放置衬底的空间，与圆形凹槽同心的环形凸起可以用于支撑衬底的边缘并使得衬底与圆形凹槽的底面之间存在一定的间距，主要通过热辐射对衬底进行加热，加热效果经过空气散播后会更为均匀地传递至衬底上，避免衬底直接接触圆形凹槽的底面出现加热过快导致的传热不均的问题。环形凸起与衬底的边缘之间直接接触也会存在衬底的边缘的温度高度衬底的中心的温度。因此使外延托盘的第二表面多个同心的调节圈，每个调节圈均包括沿外延托盘周向均匀分布的圆形调节槽，且每个圆形调节槽在第一表面的正投影的圆心均与一个圆形凹槽的底面圆心重合，圆形调节槽的存在缩短了热量需要从外延托盘的第二表面传递至第一表面的圆形凹槽的过程，使得热量可以更快地传递至每个圆形调节槽对应的圆形凹槽的圆心部分，有效降低衬底的圆心部分与衬底的边缘部分的温度差，以使得衬底整体的温度更为均匀。并且圆形调节槽的直径小于环形支撑凸起的内径，可以有效避免外延托盘与衬底之间传热快的区域之间存在重叠部分，外延托盘上对应衬底的边缘与衬底的圆心之间一定区域的传热较慢，则为衬底自身边缘与衬底圆心之间的传热提供了一定空间，可以提高衬底本身整体的温度均匀性。
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外延托盘的俯视图；
图2是本公开实施例提供的外延托盘的仰视图；
图3是本公开实施例提供的外延托盘的局部侧视图；
图4是本公开实施例提供的外延托盘与外延生长设备的配合关系示意图；
图5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；
图7是本公开实施例提供的发光二极管外延片与现有技术的发光外延片的发光结果对比图。
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。“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外延托盘的俯视图，图2是本公开实施例提供的外延托盘的仰视图，参考图1与图2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，外延托盘包括相互平行且相反的第一表面1与第二表面2，外延托盘在第一表面1具有多个同心的衬底放置圈3，每个衬底放置圈3都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽31，圆形凹槽31的底面具有同心的环形支撑凸起311。
外延托盘的第二表面2具有多个同心的调节圈4，每个调节槽41圈均包括沿外延托盘周向均匀分布的圆形调节槽41，每个圆形调节槽41在第一表面1的正投影的圆心均与一个圆形凹槽31的底面圆心重合，圆形调节槽41的直径小于环形支撑凸起311的内径。
外延托盘为圆柱体状，外延托盘包括相互平行且相反的第一表面1与第二表面2，外延托盘在第一表面1具有多个同心的衬底放置圈3，每个衬底放置圈3都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽31，圆形凹槽31的底面具有同心的环形支撑凸起311。圆形凹槽31可以提供放置衬底的空间，与圆形凹槽31同心的环形凸起可以用于支撑衬底的边缘并使得衬底与圆形凹槽31的底面之间存在一定的间距，主要通过热辐射对衬底进行加热，加热效果经过空气散播后会更为均匀地传递至衬底上，避免衬底直接接触圆形凹槽31的底面出现加热过快导致的传热不均的问题。环形凸起与衬底的边缘之间直接接触也会存在衬底的边缘的温度高度衬底的中心的温度。因此使外延托盘的第二表面2多个同心的调节圈4，每个调节槽41圈均包括沿外延托盘周向均匀分布的圆形调节槽41，且每个圆形调节槽41在第一表面1的正投影的圆心均与一个圆形凹槽31的底面圆心重合，圆形调节槽41的存在缩短了热量需要从外延托盘的第二表面2传递至第一表面1的圆形凹槽31的过程，使得热量可以更快地传递至每个圆形调节槽41对应的圆形凹槽31的圆心部分，有效降低衬底的圆心部分与衬底的边缘部分的温度差，以使得衬底整体的温度更为均匀。并且圆形调节槽41的直径小于环形支撑凸起311的内径，可以有效避免外延托盘与衬底之间传热快的区域之间存在重叠部分，外延托盘上对应衬底的边缘与衬底的圆心之间一定区域的传热较慢，则为衬底自身边缘与衬底圆心之间的传热提供了一定空间，可以提高衬底本身整体的温度均匀性。并且圆形调节槽41与环形支撑凸起311之间所预留的空间，也可以有效避免衬底的边缘与衬底的圆心区域温度快速变化而导致的衬底翘曲或者损伤的问题，可以保证衬底的正常使用以及外延材料在衬底上的稳定生长。
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，也可以提高得到的发光二极管外延片的厚度均匀度以及出光波长的一致性。
在本公开所提供的实现方式中，圆形凹槽31的直径可为常见的4英寸、6英寸、8英寸或者12英寸。可以适用于生长不同直径规格的衬底。
可选地，圆形凹槽31的深度为1.0～2.0mm。
圆形凹槽31的深度在以上范围内，可以保证衬底稳定放置在外延托盘上，且外延托盘本身的强度也较好。
在本公开所提供的实现方式中，环形支撑凸起311的横截面可为矩形或者圆形。本公开对此不做限制。
可选地，环形支撑凸起311的宽度为0.5～1.0mm。
环形支撑凸起311的宽度在以上范围内，可以实现对圆形凹槽31内的衬底的稳定支撑，同时环形支撑凸起311与衬底之间的受热情况也较好，可以保证衬底的受热的均匀度。
示例性地，环形支撑凸起311的深度为0.5～1.0mm。
环形支撑凸起311的深度在以上范围内，可以保证衬底接收热量辐射的效果较好，衬底可以受到良好的支撑，并且衬底靠近圆形凹槽31的底面的表面也可以从圆形凹槽31的底面稳定接受热量，保证最终得到的衬底的温度均匀度较好。
可选地，环形支撑凸起311的内径为圆形调节槽41的直径之差的1/5～1/6。
环形支撑凸起311的内径与圆形调节槽41在以上范围内，环形支撑凸起311与圆形调节槽41之间所留出的区域较为合理，衬底自身可以有一定的时间在内部均匀传热，可以最大程度地提高衬底的温度均匀性。
示例性地，圆形调节槽41的直径大于零且圆形调节槽41的直径小于圆形凹槽31的半径。
圆形调节槽41的直径大于零且圆形调节槽41的直径小圆形凹槽31的半径，圆形调节槽41存在的区域可以实现对衬底的温度的稳定调节，且圆形调节槽41对衬底的温度均匀性的提高幅度也较大，可以进一步提高衬底上生长的外延片的质量。
可选地，圆形调节槽41的直径的取值范围可为0～15.24cm。
圆形调节槽41的直径的取值范围在为以上数据，圆形调节槽41对大部分不同直径规格的圆形凹槽31均可起到一定的提升温度均匀度的效果。
需要说明的是，圆形调节槽41的直径可根据外延托盘上圆形凹槽31的直径进行变化，每个圆形凹槽31所对应的圆形调节槽41的直径均小于圆形凹槽31内环形支撑凸起311的内径。环形支撑凸起311的内径为环形支撑凸起311的表面存在的最小的一条直径。
图3是本公开实施例提供的外延托盘的局部侧视图，参考图2与图3可知，圆形调节槽41的深度在由圆形调节槽41的圆心指向圆形调节槽41的边缘的径向上减小。
圆形调节槽41的深度在由圆形调节槽41的圆心指向圆形调节槽41的边缘的径向上减小，可以更有效地控制衬底的圆心区域与衬底的边缘区域的温度差。增加衬底圆心升温的速度，同时衬底的圆心区域与衬底的边缘区域之间也具有一定的热量传递空间，最终得到的衬底的温度均匀程度可以得到进一步的提高。
示例性地，圆形调节槽41的深度在由圆形调节槽41的圆心指向圆形调节槽41的边缘的径向上线性减小。能够保证热量的传递更为均匀。
在本公开所提供的其他实现方式中，圆形调节槽41的深度也可以梯度减小或者跳跃减小，均可以起到提高衬底均匀度的作用。本公开对此不做限制。
可选地，在由圆形调节槽41的圆心指向圆形调节槽41的边缘的径向上，圆形调节槽41的直径每增加2.5cm～5cm，圆形调节槽41的深度减小0.1mm～0.4mm。
由圆形调节槽41的圆心指向圆形调节槽41的边缘的径向上，圆形调节槽41的直径与深度的变化在以上范围内，圆形调节槽41的温度均匀性可以得到更有效的提高，最终得到的外延片的厚度均匀性以及出光波长一致性更好。
可选地，圆形调节槽41的最大深度小于圆形凹槽31的最大深度。
圆形调节槽41的最大深度小于圆形凹槽31的最大深度，可以使得圆形调节槽41对衬底的温度的调节作用更温和，保证衬底在生长过程中整体的温度变化相对较为缓慢，减少衬底内部温差变化过大而可能导致的衬底损坏的可能性。
示例性地，圆形调节槽41的最大深度为0.5～2.0mm。
圆形调节槽41的最大深度在以上范围内，可以适用于大部分不同直径或者深度规格的外延托盘的圆形凹槽31内的衬底的温度调节，提高外延托盘的通用性。
本公开所提供的一种实现方式中，外延托盘的主要制备材料可为石墨。便于制备也传热效果较好。
需要说明的是，本公开中所涉及的深度均为在平行于外延托盘的轴线的方向上的深度，本公开中所涉及的直径均为平行于外延托盘的第一表面1或者第二表面2的方向上的直径。
需要说明的是，在外延托盘的使用过程中，通常是将外延托盘的第二表面2与外延生长设备10中的驱动结构101进行连接，外延生长设备10中的加热结构102对外延托盘的第二表面2进行加热，热量从外延托盘的第二表面2所在侧传递至外延托盘的第一表面1。
为便于理解，此处可提供图4，图4是本公开实施例提供的外延托盘与外延生长设备10的配合关系示意图，参考图4可知，外延生长设备10的腔室内的驱动结构101与外延托盘的第二表面2相连，外延生长设备10的腔室内的加热结构102对外延托盘的第二表面2进行加热。
由于在外延托盘内圆形凹槽上生长得到的外延片通常用于制备发光二极管，此处可提供在本公开所提供的外延托盘上生长得到的发光二极管外延片的制备过程，具体过程可参考图5。
图5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5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：
S201：提供一外延托盘，外延托盘为圆柱体，外延托盘包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，外延托盘在第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个衬底放置圈都包括多个沿外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，圆形凹槽的底面具有同心的环形支撑凸起。外延托盘的第二表面具有多个同心的调节圈，每个调节圈均包括沿外延托盘周向均匀分布的圆形调节槽，每个圆形调节槽在第一表面的正投影的圆心均与一个圆形凹槽的底面圆心重合，圆形调节槽的直径小于环形支撑凸起的内径。
S202：在每个圆形凹槽内放置衬底，衬底支撑于第一支撑凸起上。
其中，衬底可为蓝宝石衬底。易于实现与制作。
S203：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℃，压力可为200～500mtorr。得到的GaN缓冲层的质量较好。
S204：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。
S205：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。
S206：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。
S207：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。
S208：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℃。
S209：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S209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。
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，外延托盘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。
图7是本公开实施例提供的发光二极管外延片与现有技术的发光外延片的发光结果对比图，图7中纵坐标随横坐标变化较为平缓的线条为本公开中发光二极管外延片的一条直径上的发光波长变化曲线，图7中的另一条纵坐标随横坐标变化较为剧烈的线条为现有技术中发光二极管外延片的同一条直径上的测试点对应的发光波长变化曲线，横坐标为测试点的个数变化(单位为1)，纵坐标为外延片在该直径上的波长数据(单位为nm)；需要说明的是，多个测试点分布在外延片的同一直径下，且相邻的两个测试点之间的距离相等。可知本公开所提供的发光二极管外延片的出光波长一致性得到了较大提高。且发光二极管外延片的出光峰值也有所提高。
需要说明的是，图7中本公开所得到的发光二极管外延片与现有技术所得到的发光二极管外延片，在生长过程中，除所使用的外延托盘不同，所有生长条件均相同。
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)
1.一种提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述外延托盘为圆柱体，所述外延托盘包括相互平行且相反的第一表面与第二表面，所述外延托盘在所述第一表面具有多个同心的衬底放置圈，每个所述衬底放置圈都包括多个沿所述外延托盘的周向均匀分布的圆形凹槽，所述圆形凹槽的底面具有同心的环形支撑凸起，
所述外延托盘的第二表面具有多个同心的调节圈，每个所述调节圈均包括沿所述外延托盘周向均匀分布的圆形调节槽，每个所述圆形调节槽在所述第一表面的正投影的圆心均与一个所述圆形凹槽的底面圆心重合，所述圆形调节槽的直径小于所述环形支撑凸起的内径。
2.根据权利要求1所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述环形支撑凸起的内径为所述圆形调节槽的直径的1/5～1/6。
3.根据权利要求1所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述圆形调节槽的直径大于零且所述圆形调节槽的直径小于所述圆形凹槽的半径。
4.根据权利要求1～3任一项所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述圆形调节槽的深度在由所述圆形调节槽的圆心指向所述圆形调节槽的边缘的径向上减小。
5.根据权利要求4所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，在由所述圆形调节槽的圆心指向所述圆形调节槽的边缘的径向上，所述圆形调节槽的直径每增加2.5cm～5cm，所述圆形调节槽的深度减小0.1mm～0.4mm。
6.根据权利要求1～3任一项所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述圆形调节槽的最大深度小于所述圆形凹槽的最大深度。
7.根据权利要求1～3任一项所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述圆形调节槽的最大深度为0.5～2.0mm。
8.根据权利要求1～3任一项所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述环形支撑凸起的深度为0.5～1.0mm。
9.根据权利要求1～3任一项所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述环形支撑凸起的宽度为0.5～1.0mm。
10.根据权利要求1～3任一项所述的提高衬底温度均匀性的外延托盘，其特征在于，所述圆形凹槽的深度为1.0～2.0mm。
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