用于提高外延片波长均匀性的石墨基板的制作方法

1.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均匀性的石墨基板。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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：
5.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。


技术实现要素：

6.本公开实施例提供了一种用于提高外延片波长均匀性的石墨基板，可以提高在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。所述技术方案如下：
7.本公开实施例提供了一种用于提高外延片波长均匀性的石墨基板，所述石墨基板包括第一基板、第二基板和排气装置，所述第一基板和所述第二基板均为圆盘；
8.所述第一基板的上表面具有用于容纳衬底的多圈第一凹槽，所述多圈第一凹槽呈环形布置在所述第一基板上，所述第一基板的中部具有一圆形凹坑，所述圆形凹坑和所述多圈凹槽同轴，所述圆形凹坑的底部具有多个气孔；
9.所述第二基板同轴布置在所述圆形凹坑内，且所述第二基板的上表面具有用于容纳所述衬底的多圈第二凹槽，所述多圈第二凹槽呈环形布置在所述第二基板上；
10.所述排气装置被配置为，在不同工作状态下，为所述多个气孔提供设定流量的气体，使得所述第二基板悬浮在所述圆形凹坑内，与所述第一基板分离，并使得所述第二基板以设定转速与所述第一基板同向或反向转动。
11.可选地，所述排气装置包括第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态，
12.当所述排气装置处于所述第一工作状态时，所述第二基板悬浮在所述圆形凹坑内，与所述第一基板分离，且所述第二基板不转动；
13.当所述排气装置处于所述第二工作状态时，所述第二基板悬浮在所述圆形凹坑内，与所述第一基板分离，且所述第二基板沿顺时针方向转动；
14.当所述排气装置处于所述第三工作状态时，所述第二基板悬浮在所述圆形凹坑内，与所述第一基板分离，且所述第二基板沿逆时针方向转动。
15.可选地，所述多个气孔为孔径可调的孔，且所述多个气孔位于同一圆周上。
16.可选地，当所述排气装置处于所述第一工作状态时，所述多个气孔的孔径均相同。
17.可选地，当所述排气装置处于所述第二工作状态时，所述多个气孔的孔径沿所述圆周的顺时针方向逐渐增大。
18.可选地，当所述排气装置处于所述第三工作状态时，所述多个气孔的孔径沿所述圆周的逆时针方向逐渐增大。
19.可选地，当所述排气装置处于所述第一工作状态时，所述排气装置同时向所述多个气孔提供气体压力大于等于第一阈值的气体，使所述第二基板悬浮在所述圆形凹坑内，所述第一阈值为0.5～5psi。
20.可选地，所述第二基板的厚度小于等于所述圆形凹坑的深度。
21.可选地，所述第一基板的厚度为2～25mm，直径为70～200mm。
22.可选地，所述第二基板的厚度为2～15mm，直径为400～900mm。
23.本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
24.通过将石墨基板设置成嵌套式旋转结构。其中，石墨基板包括第一基板、第二基板和排气装置，第一基板和第二基板上均具有多个凹槽，可以用于容纳衬底，实现外延生长。第一基板上具有圆形凹坑，第二基板位于圆形凹坑内，形成嵌套式结构，有利于减少石墨基板的体积。且圆形凹坑的底部具有多个气孔，排气装置可以在不同工作状态下，为多个气孔提供设定流量的气体，使得第二基板悬浮在圆形凹坑内，与第一基板分离，并使得第二基板以设定转速与第一基板同向或反向转动。这样，两个基板可以分开转动。而基板的转动可以影响石墨基板表面的流场，因此，可以根据实际需求，分别对两个基板的转动方向和转速进行调整，以对石墨基板表面的局部流场进行调节，实现区域mo源的再分配，使得外延片生长过程中，mo源的分布更均匀，进而提高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
25.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。
26.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俯视图；
27.图2是本公开实施例提供的一种第一基板的俯视图；
28.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流程图；
29.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；
30.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
31.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。
32.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俯视图，如图1所示，该石墨基板100包括第一基板110、第二基板120和排气装置130，第一基板110和第二基板120均为圆盘。
33.图2是本公开实施例提供的一种第一基板的俯视图，如图2所示，结合图1，第一基板110的上表面具有用于容纳衬底的多圈第一凹槽110a，多圈第一凹槽110a呈环形布置在第一基板110上。第一基板110的中部具有一圆形凹坑110b，圆形凹坑110b和多圈第一凹槽110a同轴。圆形凹坑110b的底部具有多个气孔q。
34.参见图1，第二基板120同轴布置在圆形凹坑110b内，且第二基板120的上表面具有用于容纳衬底的多圈第二凹槽120a，多圈第二凹槽120a呈环形布置在第二基板120上。
35.排气装置130被配置为，在不同工作状态下，为多个气孔q提供设定流量的气体，使得第二基板120悬浮在圆形凹坑110b内，与第一基板110分离，并使得第二基板120以设定转速与第一基板110同向或反向转动。
36.本公开实施例通过将石墨基板设置成嵌套式旋转结构。其中，石墨基板包括第一基板、第二基板和排气装置，第一基板和第二基板上均具有多个凹槽，可以用于容纳衬底，实现外延生长。第一基板上具有圆形凹坑，第二基板位于圆形凹坑内，形成嵌套式结构，有利于减少石墨基板的体积。且圆形凹坑的底部具有多个气孔，排气装置可以在不同工作状态下，为多个气孔提供设定流量的气体，使得第二基板悬浮在圆形凹坑内，与第一基板分离，并使得第二基板以设定转速与第一基板同向或反向转动。这样，两个基板可以分开转动。而基板的转动可以影响石墨基板表面的流场，因此，可以根据实际需求，分别对两个基板的转动方向和转速进行调整，以对石墨基板表面的局部流场进行调节，实现区域mo源的再分配，使得外延片生长过程中，mo源的分布更均匀，进而提高在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。
37.在本公开实施例的一种实现方式中，第一基板110底部可以设置进气腔体，多个气孔q可以与进气腔体连通。排气装置130可以包括进气管道、压力控制装置和气体发生装置。且排气装置130的管道可以与该进气腔体连通。在具体使用时，气体发生装置产生的气体可以通过管道通入进气腔体，并输出至多个气孔q中。且压力控制装置可以控制通入至进气腔体的气体压力大小。
38.可选地，排气装置130包括第一工作状态、第二工作状态和第三工作状态。
39.当排气装置130处于第一工作状态时，第二基板120悬浮在圆形凹坑110b内，与第一基板110分离，且第二基板120不转动。
40.当排气装置130处于第二工作状态时，第二基板120悬浮在圆形凹坑110b内，与第一基板110分离，且第二基板120沿顺时针方向转动。
41.当排气装置130处于第三工作状态时，第二基板120悬浮在圆形凹坑110b内，与第一基板110分离，且第二基板120沿逆时针方向转动。
42.则在具体使用时，通过控制排气装置130处于不同的工作状态，即可实现第二基板120与第一基板110的同向或反向转动。
43.可选地，当排气装置130处于第一工作状态时，排气装置130同时向多个气孔q提供气体压力大于等于第一阈值的气体。
44.其中，第一阈值相当于使第二基板120能够悬浮在圆形凹坑110b内的最小流量值，通过向多个气孔q通入流量值总合大于等于第一阈值的气体，可以使第二基板悬浮在圆形凹坑内，保证实现第二基板120与第一基板110的分离。
45.可选地，第一阈值为0.5～5psi。
46.在本公开实施例中，第一阈值的具体大小，可以由技术人员根据实际需要进行调整。例如，可以针对不同体积或重量的第二基板120设置不同的第一阈值。
47.可选地，如图2所示，多个气孔q为孔径可调的孔，且多个气孔q位于同一圆周上。通过将多个气孔q设置为孔径可调的孔，以便于根据实际需要控制多个气孔输出的气体压力大小，从而实现第二基板120的正反转动。
48.在本公开实施例的一种实现方式中，可以通过在每个气孔q中设置挡板，通过控制挡板的遮挡程度，以调整每个气孔q的孔径大小，实现气孔q的孔径可调。
49.可选地，当排气装置130处于第一工作状态时，多个气孔q的孔径均相同。此时，多个气孔q输出的气体压力大小均相同，可以使得第二基板受力更均匀，有利于提高第二基板的稳定性。
50.可选地，当排气装置130处于第二工作状态时，多个气孔q的孔径沿圆周的顺时针方向逐渐增大。则沿圆周的顺时针方向，每个气孔输出的气体压力逐渐增大，从而可以驱动第二基板120顺时针转动。
51.可选地，当排气装置130处于第三工作状态时，多个气孔q的孔径沿圆周的逆时针方向逐渐增大。则沿圆周的逆时针方向，每个气孔输出的气体压力逐渐增大，从而可以驱动第二基板120逆时针转动。
52.可选地，圆形凹坑110b的直径为70～200mm，深度为5～12mm。
53.若圆形凹坑110b的直径过大，会导致第一基板的直径过大，重量较大难以有效平衡，同时还会使得圆形凹坑110b占比整个盘面面积过大，难以达到有效平衡气流的功效。若圆形凹坑110b的直径过小，又难以容纳足够数量的外延片，影响生产效率。
54.同时，若圆形凹坑110b的深度过深，会导致第一基板中部的厚度较薄，结构强度较差；若圆形凹坑110b的深度过浅，则无法容纳第二基板120。
55.可选地，第二基板120的厚度小于等于圆形凹坑110b的深度。
56.示例性地，第二基板120的厚度小于圆形凹坑110b的深度。此时，可以保证第二基板120悬浮后，第二基板120和第一基板110的上表面，能够处于同一水平面。
57.可选地，第一基板110和第二基板120均为表面镀有碳化硅涂层的石墨基板。第一基板110上的多圈第一凹槽110a和第二基板120上多圈第二凹槽120a的各个面上也均涂覆有碳化硅涂层。
58.在本公开实施例地一种实现方式中，第一基板110的厚度为2～25mm，直径为70～200mm，第二基板120的厚度为2～15mm，直径为400～900mm。
59.为了更好的理解本技术，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。
60.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。
61.可选地，衬底为蓝宝石衬底、si或sic衬底。
62.可选地，缓冲层为gan层，厚度为15～35nm。
63.可选地，未掺杂的gan层的厚度为1～5um。
64.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10
18
cm-3
～10
20
cm-3
。
65.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。
66.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10
18
cm-3
～10
20
cm-3
。
67.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*10
19
cm-3
～1*10
20
cm-3
。
68.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。
69.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流程图，如图3所示，该生长方法包括：
70.步骤201、提供一衬底。
71.其中，衬底可采用蓝宝石平片衬底。
72.进一步地，步骤201还可以包括：
73.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；
74.对衬底进行氮化处理。
75.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。
76.在本实施例中，采用veeco k465i or c4 or rb mocvd(metal organic chemical vapor 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。
77.步骤202、在衬底上生长缓冲层。
78.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。
79.步骤203、对缓冲层进行原位退火处理。
80.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。
81.步骤204、在缓冲层上生长未掺杂的氮化镓层。
82.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。
83.步骤205、在未掺杂的氮化镓层上生长n型层。
84.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10
18
/cm3～10
20
/cm3。
85.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。
86.步骤206、在n型层上生长有源层。
87.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。
88.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。
89.步骤207、在有源层上生长p型层。
90.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10
18
cm-3
～10
20
cm-3
。p型接触层的生长温度为800～1000℃，生长压力为200～500torr。
91.步骤208、在p型层上生长p型接触层。
92.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*10
19
cm-3
～1*10
20
cm-3
。p型接触层的生长温度为700～900℃，生长压力为200～400torr。
93.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)。
94.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)。
95.本公开实施例通过将石墨基板设置成嵌套式旋转结构。其中，石墨基板包括第一基板、第二基板和排气装置，第一基板和第二基板上均具有多个凹槽，可以用于容纳衬底，实现外延生长。第一基板上具有圆形凹坑，第二基板位于圆形凹坑内，形成嵌套式结构，有利于减少石墨基板的体积。且圆形凹坑的底部具有多个气孔，排气装置可以在不同工作状态下，为多个气孔提供设定流量的气体，使得第二基板悬浮在圆形凹坑内，与第一基板分离，并使得第二基板以设定转速与第一基板同向或反向转动。这样，两个基板可以分开转动。而基板的转动可以影响石墨基板表面的流场，因此，可以根据实际需求，分别对两个基板的转动方向和转速进行调整，以对石墨基板表面的局部流场进行调节，实现区域mo源的再分配，使得外延片生长过程中，mo源的分布更均匀，进而提高在石墨基板各凹槽内生长的外延片的波长均匀性。
96.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。
97.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。