micro-LED生长的反应腔结构、系统及方法与流程

micro-led生长的反应腔结构、系统及方法
技术领域
1.本发明特别涉及一种micro-led生长的反应腔结构、系统及方法，属于半导体技术领域。


背景技术：

2.现有的金属有机物化学气相沉积(mocvd)反应腔的结构都是围绕圆形的石墨托盘而设计的，石墨托盘中的凹槽也是圆形，放置的是圆形的外延片。然而，随着micro-led技术的兴起，要求对整片外延片进行芯片制作和整体转移，应用是以拼接的形式直接作为发光源，所以此时圆形的外延片需要被加工成最大尺寸的正方形(其内接正方形)。在现有产业上，直径100mm的4英寸外延片的micro-led芯片区域为68x68mm，有效利用率为59％；为获得更大的micro-led有效芯片区域，需要开发更大尺寸的外延片工艺，比如直径150mm的6英寸的芯片区域可扩大至98x98mm，但有效利用率却降为54％。所以，当前圆形外延片及其托盘和反应腔设计，导致了micro-led外延工艺后的圆形外延片利用率低，边缘浪费严重等问题，并且生长micro-led还需要高度的均匀性，所以提供了一种更合理的反应腔结构仍是业界亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种micro-led生长的反应腔结构、系统及方法，以克服现有技术中的不足。
4.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
5.本发明实施例提供了一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构，其包括具有多边形径向截面的反应腔体和设置于所述反应腔体内的多边形中心棱柱，所述反应腔体的内壁与多边形中心棱柱的外壁之间形成有可供反应流体通过的多边环形流道，所述反应腔体的每一侧内壁上均分布有至少一个正方形槽，所述正方形槽用于容置生长micro-led所需的衬底。
6.本发明实施例还提供了一种用于生长micro-led的系统，其包括：
7.mocvd设备，具有所述的适合micro-led生长的mocvd反应腔结构；
8.加热设备，至少用于调节所述mocvd反应腔结构的反应腔体内壁温度；以及
9.进气设备，至少用于向所述mocvd反应腔结构的反应腔体内输入生长micro-led所需的原料气体。
10.本发明实施例还提供了一种用于生长micro-led的方法，其包括：
11.提供所述的用于生长micro-led的系统；
12.将生长micro-led所需的衬底固定于反应腔体内壁上的相应正方形槽内；
13.调节所述反应腔体内壁的温度至生长micro-led所需的温度；
14.向所述反应腔体内输入生长micro-led所需的原料气体，所述原料气体包括第一反应气体、第一载气、第二反应气体和第二载气，所述第一反应气体、第一载气、第二反应气
体和第二载气沿由反应腔体内壁指向相应多边形中心棱柱外壁的方向依次分层分布；
15.其中，所述第一反应气体包括v族源气体，所述第一载气为隔离载气，所述第二反应气体包括iii族源气体。
16.与现有技术相比，本发明的优点包括：
17.1)本发明实施例提供的一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构中反应腔体和多边形中心棱柱均为石墨构件，相比于现有的其他mocvd反应腔，具有均匀性更好、衬底利用率更高，且易于维护、部件更换成本更低等优势；2)本发明实施例提供的用于生长micro-led的系统可引入氯气，在外延生长结束后可以对反应腔体进行自清洁，从而保证了反应腔体内的高度清洁，反应腔体的清洁对于对颗粒敏感的micro-led制造至关重要；
18.3)本发明实施例提供的用于生长micro-led的系统，射频加热设备可以通过调节外置的加热丝位置来精确控制石墨托盘(即反应腔体)的温度均匀性，同时，由于衬底通过真空系统吸附于托盘内壁的正方形凹槽内，因此使得衬底表面热的传导更好，更有利于micro-led生长中保持波长的一致性。
附图说明
19.图1是本发明一典型实施案例中提供的一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构的结构示意图；
20.图2是本发明一典型实施案例中提供的一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构的主视图；
21.图3是本发明一典型实施案例中提供的一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构的俯视图；
22.图4是本发明一典型实施案例中提供的一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构的左视图；
23.图5是本发明实施例1中制作形成的外延片的光致发光pl图谱；
24.图6是本发明实施例1获得的外延片的透射电镜图。
具体实施方式
25.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
26.micro led是新一代显示技术，比现有的oled技术亮度更高、发光效率更好、但功耗更低。
27.金属有机物化学气相沉积(metal organic chemical vapour deposition)又称有机金属化合物气相淀积法，一种利用有机金属热分解反应进行气相外延生长薄膜的化学气相沉积技术主要用于化合物半导体的气相生长领域，采用该法制备薄膜时，作为含有化合物半导体元素的原料化合物，必须满足常温条件下稳定且易处理，且在室温附近具有适当的蒸气压，反应的副产物不应妨碍晶体生长，不应污染生长层等条件，因此常选用金属的烷基或芳基衍生物，羟基衍生物、羟基衍生物等为原料，其最主要的特点是沉积温度低；另外由于不采用卤化物原料，因此在沉积中不存在刻蚀反应，适用范围广，几乎可生长所有化合物和合金半导体；并且，其生长温度范围宽，适宜大批量生产。
28.本发明实施例提供的一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构，其包括具有多边形径向截面的反应腔体和设置于所述反应腔体内的多边形中心棱柱，所述反应腔体的内壁与多边形中心棱柱的外壁之间形成有可供反应流体通过的多边环形流道，所述反应腔体的每一侧内壁上均分布有至少一个正方形槽，所述正方形槽用于容置生长micro-led所需的衬底。
29.进一步的，至少所述反应腔体的内壁和所述多边形中心棱柱的外壁是石墨材质的。
30.更进一步的，所述反应腔体及多边形中心棱柱均由石墨组成。
31.进一步的，所述反应腔体的每一侧内壁上均间隔分布有多个正方形槽。
32.进一步的，所述多边形中心棱柱的每一侧外壁与相应的反应腔体一侧内壁对应设置。
33.进一步的，所述正方形槽内还设置有至少一个通孔，所述通孔与负压发生设备连通，用于通过负压作用吸附固定所述衬底。
34.本发明实施例还提供了一种用于生长micro-led的系统，其包括：
35.mocvd设备，具有所述的适合micro-led生长的mocvd反应腔结构；
36.加热设备，至少用于调节所述mocvd反应腔结构的反应腔体内壁温度；以及
37.进气设备，至少用于向所述mocvd反应腔结构的反应腔体内输入生长micro-led所需的原料气体。
38.进一步的，所述加热设备包括射频加热设备。
39.进一步的，所述进气设备还用于向所述反应腔体内输入氯气。
40.本发明实施例还提供了一种用于生长micro-led的方法，其包括：
41.提供所述的用于生长micro-led的系统；
42.将生长micro-led所需的衬底固定于反应腔体内壁上的相应正方形槽内；
43.调节所述反应腔体内壁的温度至生长micro-led所需的温度；
44.向所述反应腔体内输入生长micro-led所需的原料气体，所述原料气体包括第一反应气体、第一载气、第二反应气体和第二载气，所述第一反应气体、第一载气、第二反应气体和第二载气沿由反应腔体内壁指向相应多边形中心棱柱外壁的方向依次分层分布；
45.其中，所述第一反应气体包括v族源气体，所述第一载气为隔离载气，所述第二反应气体包括iii族源气体。
46.进一步的，所述的用于生长micro-led的方法还包括：在外延生长micro-led结束后，向所述反应腔体内输入氯气进行自清洁。
47.如下将结合附图对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
48.请参参阅图1-图4，一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构，其包括具有多边形径向截面的反应腔体100和设置于所述反应腔体100内的多边形中心棱柱200，所述反应腔体100的内壁与多边形中心棱柱200的外壁之间形成有可供反应流体通过的多边环形流道300，所述反应腔体100的每一侧内壁上均分布有多个正方形槽110，所述正方形槽100用于容置生长micro-led所需的衬底；以及，所述正方形槽110内还设置有至少一个通孔(图中未示出)，所述通孔与负压发生设备连通，用于通过负压作用吸附固定所述衬底。
49.具体的，至少所述反应腔体100的内壁和所述多边形中心棱柱200的外壁是石墨材
质的，或者，所述反应腔体100及多边形中心棱柱200整体均由石墨组成。
50.具体的，多边形中心棱柱200的每一侧外壁与相应的反应腔体100一侧内壁对应设置，或者，可以设置多边形中心棱柱200外壁面的数量与反应腔体100的内壁面的数量相同，可以理解为，多边形中心棱柱200与具有多边形径向截面的反应腔体100边的数量相同，两者的径向截面为相似多边形。
51.具体的，可以理解地，所述反应腔体100为环形结构，所述多边形中心棱柱200可以同轴心设置在所述反应腔体100内。
52.具体的，一种用于生长micro-led的系统，其包括：
53.mocvd设备，具有如图1-4中所示的适合micro-led生长的mocvd反应腔结构；
54.加热设备，所述加热设备包括射频加热设备，并至少用于调节所述mocvd反应腔结构的反应腔体内壁温度；以及
55.进气设备，至少用于向所述mocvd反应腔结构的反应腔体内输入生长micro-led所需的原料气体，以及，还用于向所述反应腔体内输入氯气。
56.具体的，一种用于生长micro-led的方法，其包括：
57.提供用于生长micro-led的系统，所述系统包括具有如图1-4中所示的适合micro-led生长的mocvd反应腔结构的mocvd设备，
58.将生长micro-led所需的衬底固定于反应腔体100内壁上的相应正方形槽110内；
59.调节所述反应腔体100内壁的温度至生长micro-led所需的温度；
60.向所述反应腔体100内输入生长micro-led所需的原料气体，所述原料气体包括第一反应气体、第一载气、第二反应气体和第二载气，所述第一反应气体、第一载气、第二反应气体和第二载气沿由反应腔体内壁指向相应多边形中心棱柱外壁的方向依次分层分布；
61.其中，所述第一反应气体包括v族源气体，所述第一载气为隔离载气，所述第二反应气体包括iii族源气体。
62.具体的，所述的用于生长micro-led的方法还包括：在外延生长micro-led结束后，向所述反应腔体100内输入氯气进行自清洁。
63.具体的，请参阅图3，所述第一反应气体、第一载气、第二反应气体和第二载气沿由反应腔体内壁指向相应多边形中心棱柱外壁的方向依次分层分布，可以理解为，分布在反应腔体100的内壁与多边形中心棱柱200的外壁之间的多边环形流道300内形成四层多边环形流道，即，沿由反应腔体内壁指向相应多边形中心棱柱外壁的方向依次设置的第一环流通道401、第二环流通道402、第三环流通道403和第四环流通道404，该四个环流通道是在通入四组气体时形成的气流通道，而非实际的通道结构。
64.具体的，本发明实施例提供的一种用于生长micro-led的系统，其中的反应腔体为径向截面为多边形结构，反应腔体整体为石墨，也为托盘之用，反应腔体的内壁内嵌有正方形凹槽，用来放置衬底，正方形凹槽内设置有通孔，通孔与负压发生设备连通并用来吸附并固定衬底；其中的衬底也为正方形，可以依次将多片衬底布置于反应腔体长方形的内壁上；反应腔体中心设置有多边形石墨棱柱，多边形石墨棱柱的外壁与与反应腔体的内壁之间形成可供反应流体通过的流道。
65.具体的，该反应腔体的加热系统宜采用外置的射频加热方式来精确调节温度，进气系统采用同样多边形环形分隔进气的方式，通常可设成四层进气，靠近反应腔体内壁的
第一层进气为v族源气体，第二层进气为隔离载气，第三层进气为iii族源气体，第四层进气为载气，其中，各层气体的流量与组分均可调，同时，进气系统提供的进气中还包含氯气。
66.一种用于生长micro-led的方法，其包括如下过程：
67.1)提供如图1-4中所示的适合micro-led生长的mocvd反应腔结构的mocvd设备；
68.2)将生长micro-led所需的正方形蓝宝石衬底放置于长度为800mm、四周为边长200mm六边形的反应腔体100内壁上的相应正方形槽110内；
69.3)分别调节所述反应腔体100内壁的温度至生长micro-led所需的温度，例如，ugan的生长温度约为1060℃、ngan的生长温度约为1050℃、前阱量子阱的生长温度约为850～880℃，发光量子阱ingan的生长温度为750℃、量子垒gan的生长温度为850℃，p-gan的生长温度为960℃；
70.4)向所述反应腔体100内输入生长micro-led所需的原料气体，所述原料气体包括分别经由第一环流通道401、第二环流通道402、第三环流通道403和第四环流通道404导入的第一反应气体、第一载气、第二反应气体和第二载气，所述第一反应气体为v族源气体，例如nh3、第一载气主要是n2和h2、第二反应气体为iii族源气体，例如tmga、tmin和tma1，所述第二载气主要是n2和h2。
71.具体的，所述的用于生长micro-led的方法还包括：在外延生长micro-led结束后，向所述反应腔体100内输入氯气进行自清洁。
72.实施例1
73.具体的，该用于生长micro-led的方法的具体步骤包括：
74.提供100x100mm的正方形蓝宝石衬底；
75.先在正方形蓝宝石衬底上生长厚度为1.5um的非掺ugan缓冲层；
76.在非掺ugan缓冲层上生长厚度为2um的si掺n型gan层；
77.在si掺n型gan层上先生长6个周期的ingan/gan的量子阱组合以作为前阱，其作用是释放应力、为后续生长做界面；接着再生长10个周期的ingan/gan的量子阱垒组合作为发光阱，单个周期的ingan/gan的量子阱垒组合厚度为15nm，其中，ingan层的厚度为3nm，gan层的厚度为12nm；
78.最后生长厚度为300nm的mg掺p型gan层。
79.经由本发明实施例提供的一种用于生长micro-led的系统及方法获得的外延片的光致发光pl(peak lambda)图谱如图5所示，由图5可以获悉，该外延片的光致发光pl图谱的主波长为446.5nm，波长均匀性为1.9nm，显示了较高的均匀性，很适合于micro-led的芯片制作，且可100％利用；经由本发明实施例提供的一种用于生长micro-led的系统及方法获得的外延片的透射电镜tem图如图6所示，由图6可以获悉，该外延片的生长的界面非常清晰且陡峭，说明该用于生长micro-led的系统具有生长响应快、气体切换时间短等优势，对于micro-led减少颗粒具有正面作用和重要的意义。
80.本发明实施例从micro-led芯片区域利用率低的角度出发，克服了现有传统mocvd结构在micro-led外延中的不足，提出了配以正方形衬底外延生长的多边形mocvd反应腔的结构设计。
81.具体的，本发明实施例提供的一种适合micro-led生长的mocvd反应腔结构中反应腔体整体为环形石墨托盘，多边形中心棱柱也为石墨构件，且该mocvd反应腔结构中大部分
结构均为石墨构件，相比于现有的其他mocvd反应腔，本发明具有均匀性更好、衬底利用率更高，且易于维护、部件更换成本更低等优势。
82.更重要的是，本发明实施例提供的用于生长micro-led的系统可引入氯气，在外延生长结束后可以对反应腔体进行自清洁，从而保证了反应腔体内的高度清洁，反应腔体的清洁对于对颗粒敏感的micro-led制造至关重要。
83.另外，本发明实施例提供的用于生长micro-led的系统，射频加热设备可以通过调节外置的加热丝位置来精确控制石墨托盘(即反应腔体)的温度均匀性，同时，由于衬底通过真空系统吸附于托盘内壁的正方形凹槽内，因此使得衬底表面热的传导更好，更有利于micro-led生长中保持波长的一致性。
84.在进气系统方面，本发明实施例提供的用于生长micro-led的系统，靠近衬底放置层的区域温度相比其他区域的温度更高，由于温度更高，因此比一般反应腔分解和利用氨气的能力更高，同时iii族源气体(通常为易预反应的mo源)被惰性的载气所分隔，在输运的过程中，能够更长距离的保持浓度到衬底上方才被反应；通过四重进气的方式来控制反应气体源的沿程损耗，可以使反应气体达到整个气流场和并保持反应气体沿程浓度场的一致性，保证在气流方向上多片衬底都能接收到的同样的反应源气体，进而使生长材料的厚度更加均匀。
85.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。