一种调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法与流程

1.本发明涉及led技术领域，特别涉及一种调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法。


背景技术：

2.在过去的20年里，氮化物高亮led(发光二极管)在显示和照明取得了巨大的进步和发展，in氮化物白光的光视效能超过了150lm/w，远高于其他一些发光材料，例如oled(有机发光二极管)、荧光灯等。led由于结合量子阱作为激活区，所以其发射25nm的窄频带，为高色纯度和色保真度提供了基础，另外，氮化物led因材料本身特性及其低电压的特点，其拥有较长的工作寿命(》100000h)，并可在极端的温度条件(-100℃～120℃)和湿度条件下工作，正因为led的高性能，高可靠性和长寿命等优秀特性，所以被应用于各行各业。
3.氮化物led外延片是以蓝宝石衬底在mocvd进行沉积gan层外延层而成，属于异质外延。蓝宝石衬底(晶格常数)与gan(晶格常数)的晶格适配度达到16％，因此，在蓝宝石衬底上沉积gan层会受到张应力的影响，导致gan外延片生长时翘曲较大，测得的pl mapping(光致发光波长分布图)显示出翘曲均匀性差，严重影响氮化物led外延片的光电性能。
4.其中，gan外延层沉积采用mocvd(metal-organic chemical vapor deposition金属有机气象沉积，简称mocvd)设备实现led外延片的生长。现在mocvd设备腔体都比较大，放入沉积gan外延层的衬底可以放置在石墨盘上2-3圈，因为外圈衬底在gan层沉积时，受石墨盘旋转带来的离心力较大，所以整体gan外延片的翘曲均匀性差，从而导致波长均匀性较差。传统的氮化物外延片调整翘曲的主要方式有：一是gan外延层结构设计，利用gan/ingan/algan等膜层的应力来改善gan外延层所受应力，进而调整gan膜层翘曲；二是通过膜层厚度来控制翘曲，但上述两种方式都是整体上调整gan外延层翘曲，不能分区调整gan外延层翘曲，改善外延层的波长均匀性。


技术实现要素：

5.基于此，本发明的目的是提供一种调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法，旨在解决现有技术中，不能分区调整氮化物外延层翘曲，从而改善外延层的波长均匀性的问题。
6.根据本发明实施例当中的一种调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法，其特征在于，所述方法包括：
7.将若干用于生长氮化物外延片的衬底放入金属有机气相沉积设备中，且分别置于所述金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈；
8.在各个衬底上外延生长氮化物缓冲层后，对所述氮化物缓冲层进行翘曲调控，其中，在不通入任何金属有机源且只通入气氛n2/h2/nh3的条件下，控制位于所述内圈衬底上的所述氮化物缓冲层在第一调控温度下生长，控制位于所述中圈衬底上的所述氮化物缓冲
层在第二调控温度下生长，控制位于所述外圈衬底上的所述氮化物缓冲层在第三调控温度下生长，所述第一调控温度、所述第二调控温度以及所述第三调控温度不同，且温差小于100℃；
9.在经过翘曲调控后的氮化物缓冲层上依次外延生长非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层以及p型gan接触层。
10.优选地，所述对所述氮化物缓冲层进行翘曲调控的步骤中，所述气氛n2/h2/nh3的比例为2:2:1至2:8:1。
11.优选地，所述对所述氮化物缓冲层进行翘曲调控的步骤中，调控温度为950℃～1150℃，调控压力为50torr～500torr，调控时间为1min～10min。
12.优选地，所述对所述氮化物缓冲层进行翘曲调控的步骤中，所述氮化物缓冲层的凹陷程度越大，则控制所述氮化物缓冲层的所述调控温度越高，所述氮化物缓冲层的凸起程度越大，则控制所述氮化物缓冲层的所述调控温度越低。
13.优选地，所述氮化物缓冲层的生长温度为500℃～800℃，生长压力为50torr～300torr。
14.优选地，所述非掺杂的gan层的生长温度为1050℃～1200℃，生长压力为100torr～600torr。
15.优选地，所述n型gan层的生长温度为1050℃～1200℃，生长压力为100torr～600torr，其中，在生长过程中掺杂si，si掺杂浓度为1e19cm-3
～5e19cm-3
。
16.优选地，位于所述外圈衬底上的所述氮化物缓冲层的厚度最小。
17.优选地，所述氮化物缓冲层的厚度为10nm～50nm。
18.优选地，所述多量子阱层包括ingan量子阱层和algan量子垒层，且为所述ingan量子阱层和所述algan量子垒层交替生长而成的周期性结构，其中，al组分为0.01～0.1。
19.与现有技术相比：通过将若干用于生长氮化物外延片的衬底放入金属有机气相沉积设备中，且分别置于金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈，随后在各个衬底上外延生长氮化物缓冲层后，对氮化物缓冲层进行翘曲调控，其中，在不通入任何金属有机源且只通入气氛n2/h2/nh3的条件下，控制位于设备内圈、中圈以及外圈衬底上的氮化物缓冲层的调控温度不同，且温差小于100℃，得到翘曲调控后的氮化物缓冲层，并在翘曲调控后的氮化物缓冲层上依次外延生长非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层以及p型gan接触层，具体的，h2在高温下对氮化物缓冲层有分解的作用，h2所占比例越高，对氮化物缓冲层分解速度越快，同时，温度越高，氮化物缓冲层的分解速度就越快，因此，根据氮化物外延片的翘曲凹凸情况，调控不同圈别的温度，从而可以生长出波长均匀性良好的外延片。
附图说明
20.图1为本发明实施例一当中的氮化物外延片的结构示意图；
21.图2为本发明实施例一当中的金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈的俯视图；
22.图3为本发明实施例二当中的调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法的流程图。
具体实施方式
23.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
24.需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
25.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
26.实施例一
27.请参阅图1，所示为本发明实施例一中的氮化物外延片，包括蓝宝石衬底10、以及在蓝宝石衬底10上依次外延生长的氮化物缓冲层20，非掺杂gan层30，n型gan层40，多量子阱层50，电子阻挡层60，p型gan层70，p型gan接触层80。
28.其中，请参阅图2，所示为本发明实施例一当中的金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈的俯视图，具体的，用于生长氮化物外延片的衬底被分别置于金属有机气相沉积设备内圈100、中圈200以及外圈300，由于位于外圈300的衬底在外延生长时，受石墨盘旋转带来的离心力较大，所以位于外圈300制备的外延片厚度会偏大，波长均匀性较差。
29.在本实施例当中，被调控后的位于外圈300衬底上的氮化物缓冲层的厚度比被调控后的位于内圈100衬底上、中圈200衬底上的氮化物缓冲层的厚度小2nm～5nm，在后续的外延生长过程中，由于外延片放置在石墨盘上进行高速旋转，所以外圈300的外延片线速度最大，所受的离心力最大，外圈300翘曲也最大，那么，通过先降低外圈300衬底上的氮化物缓冲层的厚度，再在此基础上生长外延层，可以起到中和的作用，从而达到控制整体外延片翘曲的效果。
30.在本实施例当中，氮化物缓冲层20为gan层，示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，氮化物缓冲层20的厚度为10nm～50nm，例如为12nm、14nm、16nm等；非掺杂gan层30的厚度为1μm～5μm，例如为2.2um、2.4um、2.6um等；n型gan层40的厚度为2um～3um，例如为2.2um、2.4um、2.6um等；多量子阱层50的厚度为60nm～204nm，例如为100nm、120nm、140nm等；电子阻挡层60的厚度为10nm～40nm，例如为15nm、20nm、35nm等；p型gan层7070的厚度为10nm～50nm，例如为15nm、20nm、25nm等；p型gan接触层80的厚度为5nm～20nm，例如为10nm、12nm、14nm等。
31.具体的，多量子阱层50包括ingan量子阱层和algan量子垒层，且为ingan量子阱层和algan量子垒层交替生长而成的周期性结构，示例而非限定，在本实施例一些较佳实施例当中，单层ingan量子阱层的厚度为2～5nm，例如为2.5nm、3nm、3.5nm等；单层al
x
ga
1-x
n量子垒层的厚度为8～12nm，例如为9nm、10nm、11nm等，其中，多量子阱层50中量子阱层与量子垒层的堆叠周期数为6个～12个，例如为9个，即多量子阱层50共生长18层。
32.实施例二
33.请参阅图3，所示为本发明实施例二提出的一种调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法，所述方法具体包括步骤s201至步骤s208，其中：
34.步骤s201，提供一生长所需的衬底。
35.具体的，将若干用于生长氮化物外延片的衬底放入金属有机气相沉积设备中，且分别置于金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈。
36.其中，衬底可选用蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底中的一种，具体的，衬底选用蓝宝石衬底，因为蓝宝石衬底制备工艺成熟，产量大，成本低廉，并且化学稳定性和热稳定性都较为优异。
37.在本实施例当中，采用中微a7 mocvd(metal-organic chemical vapor deposition金属有机气相沉积，简称mocvd)设备，高纯h2(氢气)、高纯n2(氮气)、高纯h2和高纯n2的混合气体中的一种作为载气，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，三甲基铝(tmal)作为铝源，硅烷(sih4)作为n型掺杂剂，二茂镁(cp2mg)作为p型掺杂剂进行外延生长。
38.步骤s202，生长氮化物缓冲层，其生长厚度为10nm～50nm。
39.需要说明的是，氮化物缓冲层的材料可为aln、algan或gan，在本实施例当中，氮化物缓冲层为gan层，氮化物缓冲层提供了与衬底取向相同的成核中心,释放了gan和衬底之间的晶格失配产生的应力以及热膨胀系数失配所产生的热应力，其中，氮化物缓冲层的生长温度为500℃～800℃，生长压力为50torr～300torr。
40.具体的，将蓝宝石衬底置于mocvd中沉积gan缓冲层，其厚度为15nm,生长温度800℃，生长压力100torr，由于gan缓冲层与蓝宝石衬底al2o3的晶格适配较大，gan外延层对蓝宝石衬底产生张应力，并且张应力随gan外延层厚度增加而变大，所以导致翘曲急速变大，为了解决翘曲的问题，在沉积完gan缓冲层后，需要对gan缓冲层进行调控，需要说明的是，调控温度为950℃～1150℃，调控压力为50torr～500torr，调控时间为1min～10min，该调控具体包括不通入任何金属有机源，即停止金属有机源的输入，只通入气氛n2/h2/nh3，其中，气氛n2/h2/nh3的比例为2:2:1至2:8:1，由于h2的占比较大，在高温下对gan有分解的作用，且h2所占比例越高对gan缓冲层分解速度越快。
41.另外，中微a7 mocvd机台是36片机，分为内中外三圈，因在沉积gan外延层过程中石墨盘高速旋转，所以外圈的外延片线速度最大，所受的离心力最大，外圈翘曲也最大，为了调控不同圈别gan外延片翘曲一致性，在只通入气氛n2/h2/nh3的同时，控制位于内圈衬底上的氮化物缓冲层在第一调控温度下生长，控制位于中圈衬底上的氮化物缓冲层在第二调控温度下生长，控制位于外圈衬底上的氮化物缓冲层在第三调控温度下生长，第一调控温度、第二调控温度以及第三调控温度不同，且温差小于100℃，可以理解的，温度越高，h2对gan缓冲层分解速度就越快；压力越高，h2对gan缓冲层分解速度就越快；调控时间越长，h2对gan缓冲层分解速度就越快，而h2对gan缓冲层分解速度就越快，势必造成gan缓冲层翘曲就会越凸。
42.一般情况下，为了使氮化物缓冲层的凹陷程度越大，则需要控制氮化物缓冲层的调控温度越高，相反，为了使氮化物缓冲层的凸起程度越大，则需要控制氮化物缓冲层的调控温度越低，但第一调控温度、第二调控温度以及第三调控温度的温差应小于100℃，若温差过大的话，会触发mocvd控温软件报警，导致mocvd机台宕机。
43.在本实施例当中，在沉积完gan缓冲层后不通入任何金属有机源，只通入气氛n2/h2/nh3，且气氛n2/h2/nh3的比例为2:4:1，控制第一调控温度、第二调控温度以及第三调控温度分别为1050℃/1060℃/1080℃，调控压力为150torr，调控时间为90s。
44.步骤s203，生长非掺杂gan层，其生长厚度为1μm～5μm。
45.具体的，非掺杂gan层的生长温度为1050℃～1200℃，生长压力为100torr～600torr，在本实施例当中，非掺杂gan层的生长温度1100℃，生长压力150torr，生长厚度2μm～3μm，在此厚度下，不仅gan晶体质量较优，而且节省了ga源，节约了生产成本。
46.步骤s204，生长n型gan层，其生长厚度为2um～3um。
47.具体的，n型gan层的生长温度为1050℃～1200℃，生长压力为100torr～600torr，其中，在生长过程中掺杂si，si掺杂浓度为1e19cm-3
～5e19cm-3
，保证了n型gan晶体质量及n型gan层的面电阻，在本实施例当中，n型gan层生长温度为1120℃，生长压力100torr，si掺杂浓度为2.5e19cm-3
。
48.步骤s205，生长多量子阱层，其生长厚度为60nm～204nm。
49.在本实施例当中，多量子阱层为交替堆叠的ingan量子阱层和algan量子垒层，堆叠周期数6个～12个，其中ingan量子阱层生长温度为790℃～810℃，生长厚度为2nm～5nm，al
x
ga
1-x
n量子垒层生长温度为800℃～900℃，生长厚度为8nm～12nm，al组分x为0.01～0.1。
50.具体的，多量子阱层中ingan量子阱层和algan量子垒层的堆叠周期数为10个，其中，ingan量子阱层生长温度为795℃，单层厚度为3.5nm，生长压力为200torr，algan量子垒层层生长温度为855℃，单层厚度为9.8nm，生长压力为200torr，al组分为0.05。
51.步骤s206，生长电子阻挡层，其生长厚度为10nm～40nm。
52.其中，电子阻挡层为al
x
inyga
1-x-y
n层，生长温度为900℃～1000℃，生长压力100torr～300torr，其中，al组分为0.005《x《0.1，in组分浓度为0.05《y《0.2。.
53.具体地，电子阻挡层为al
0.05
in
0.1
ga
0.85
n层，该层厚度为15nm，生长温度为965℃，生长压力为200torr。
54.步骤s207，生长p型gan层，其生长厚度为5nm～20nm。
55.其中，p型gan层生长温度为900℃～1050℃，生长压力为100torr～600torr，mg掺杂浓度为1e19cm-3
～1e21cm-3
。
56.具体的，p型gan层的生长温度为985℃，厚度为15nm，生长压力为200torr，mg掺杂浓度为2e20cm-3
。
57.步骤s208，生长p型接触层，其生长厚度为5nm～20nm。
58.其中，p型接触层的生长温度850℃～950℃，生长压力为100tor～400torr，mg掺杂浓度为1e21cm-3
～5e21cm-3
。
59.具体的，p型接触层的生长温度为895℃，厚度为5nm，生长压力为200torr，mg掺杂浓度为2e21cm-3
。
60.需要说明的是，在生长完氮化物缓冲层后，未对氮化物缓冲层进行调控的位于外圈的氮化物外延片的波长均匀性为2.5nm，而在生长完氮化物缓冲层后，采用本方法对氮化物缓冲层进行调控的氮化物外延片整体较为平整，波长均匀性为1.52nm，改善明显。
61.综上，本发明实施例当中的调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法，通过
将若干用于生长氮化物外延片的衬底放入金属有机气相沉积设备中，且分别置于金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈，随后在各个衬底上外延生长氮化物缓冲层后，对氮化物缓冲层进行翘曲调控，其中，在不通入任何金属有机源且只通入气氛n2/h2/nh3的条件下，控制位于设备内圈、中圈以及外圈衬底上的氮化物缓冲层的调控温度不同，且温差小于100℃，得到翘曲调控后的氮化物缓冲层，并在翘曲调控后的氮化物缓冲层上依次外延生长非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层以及p型gan接触层，具体的，h2在高温下对氮化物缓冲层有分解的作用，h2所占比例越高，对氮化物缓冲层分解速度越快，同时，温度越高，氮化物缓冲层的分解速度就越快，因此，根据氮化物外延片的翘曲凹凸情况，调控不同圈别的温度，从而可以生长出波长均匀性良好的外延片。
62.实施例三
63.本发明实施例三提供一种调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法，在本实施例当中，将若干用于生长氮化物外延片的衬底放入金属有机气相沉积设备中，且分别置于金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈，随后在各个衬底上外延生长gan缓冲层后，对gan缓冲层进行翘曲调控，其中，在不通入任何金属有机源且只通入气氛n2/h2/nh3的条件下，控制位于内圈衬底上的氮化物缓冲层在第一调控温度下生长，控制位于中圈衬底上的氮化物缓冲层在第二调控温度下生长，控制位于外圈衬底上的氮化物缓冲层在第三调控温度下生长，具体的，气氛n2/h2/nh3的比例为2:4:1，第一调控温度、第二调控温度以及第三调控温度分别为1050℃/1060℃/1080℃，调控压力为200torr，调控时间为120s，再在经过翘曲调控后的gan缓冲层上依次外延生长非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层以及p型gan接触层，最终得到的氮化物外延片的波长均匀性为1.72nm。
64.实施例四
65.本发明实施例四提供一种调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法，在本实施例当中，将若干用于生长氮化物外延片的衬底放入金属有机气相沉积设备中，且分别置于金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈，随后在各个衬底上外延生长gan缓冲层后，对gan缓冲层进行翘曲调控，其中，在不通入任何金属有机源且只通入气氛n2/h2/nh3的条件下，控制位于内圈衬底上的氮化物缓冲层在第一调控温度下生长，控制位于中圈衬底上的氮化物缓冲层在第二调控温度下生长，控制位于外圈衬底上的氮化物缓冲层在第三调控温度下生长，具体的，气氛n2/h2/nh3的比例为2:4:1，第一调控温度、第二调控温度以及第三调控温度分别为1060℃/1050℃/1075℃，调控压力为150torr，调控时间为90s，再在经过翘曲调控后的gan缓冲层上依次外延生长非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层以及p型gan接触层，最终得到的氮化物外延片的波长均匀性为1.66nm。
66.实施例五
67.本发明实施例五提供一种调控不同圈别氮化物外延片翘曲一致性的方法，在本实施例当中，将若干用于生长氮化物外延片的衬底放入金属有机气相沉积设备中，且分别置于金属有机气相沉积设备内圈、中圈以及外圈，随后在各个衬底上外延生长gan缓冲层后，对gan缓冲层进行翘曲调控，其中，在不通入任何金属有机源且只通入气氛n2/h2/nh3的条件下，控制位于内圈衬底上的氮化物缓冲层在第一调控温度下生长，控制位于中圈衬底上的氮化物缓冲层在第二调控温度下生长，控制位于外圈衬底上的氮化物缓冲层在第三调控温度下生长，具体的，气氛n2/h2/nh3的比例为2：6∶1，第一调控温度、第二调控温度以及第三调
控温度分别为1050℃/1060℃/1080℃，调控压力为150torr，调控时间为90s，再在经过翘曲调控后的gan缓冲层上依次外延生长非掺杂gan层、n型gan层、多量子阱层、电子阻挡层、p型gan层以及p型gan接触层，最终得到的氮化物外延片的波长均匀性为1.58nm。
68.分别对现有技术中的氮化物外延片的波长均匀性与本发明提出的氮化物外延片的波长均匀性进行比较，具体如表1所示：
69.表1
70.实施例n2/h2/nh3比例生长温度(内圈/中圈/外圈)生长压力生长时间波长均匀性现有技术////2.5nm22∶4∶11050℃/1060℃/1080℃150torr90s1.52nm32∶4∶11050℃/1060℃/1080℃200torr120s1.72nm42∶4∶11060℃/1050℃/1075℃150torr90s1.66nm52∶6∶11050℃/1060℃/1085℃150torr90s1.58nm
71.从表中可以看出，通过本发明提出的氮化物外延片的波长均匀性与现有技术中的氮化物外延片的波长均匀性相比，具有较大提升。
72.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。