本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種發(fā)光二極管外延片的制備方法。

背景技術(shù)：

發(fā)光二極管(英文：Light Emitting Diodes，簡稱：LED)具有超長壽命、節(jié)能省電、健康環(huán)保、堅(jiān)固難用等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。以氮化鎵(GaN)為代表的Ⅲ族化合物是直接帶隙的寬禁帶半導(dǎo)體，具有導(dǎo)熱率高、發(fā)光效率高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、能實(shí)現(xiàn)P型或者N型摻雜的優(yōu)點(diǎn)，而且GaN的多元合金構(gòu)成的量子阱的發(fā)光波長可覆蓋整個可見光區(qū)域，并具有較高的內(nèi)量子效率，因此GaN是制作LED的理想材料。

GaN基LED外延片通常采用藍(lán)寶石襯底，但是GaN和藍(lán)寶石之間存在晶格失配，會造成LED外延片高密度缺陷、熱膨脹系數(shù)大，產(chǎn)生的應(yīng)力無法充分釋放，外延片表面不平整，翹曲度較高。

而隨著近年來經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人力成本的不斷提高，LED芯片廠商已經(jīng)逐步朝大尺寸外延工藝(大于2英寸的外延片)發(fā)展，以提高生產(chǎn)效率和LED芯片產(chǎn)能(如6英寸外延片的芯片產(chǎn)能是4英寸外延片的2倍、3英寸外延片的3～4倍、2英寸外延片的8～9倍)，降低生產(chǎn)成本。大尺寸外延片相比傳統(tǒng)的2英寸外延片，具有更高的翹曲度，破片率較高，嚴(yán)重制約了大尺寸外延技術(shù)的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)嚴(yán)重制約大尺寸外延技術(shù)的發(fā)展的問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的制備方法。所述技術(shù)方案如下：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的制備方法，所述制備方法包括：

提供一設(shè)有氮化鋁緩沖層的襯底并放置在反應(yīng)腔中，所述反應(yīng)腔內(nèi)在所述發(fā)光二極管外延片的制備過程中通入有氮?dú)夂蜌錃庵械闹辽僖环N作為載氣；

將所述反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫，同時增大所述載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比，所述梯度升溫包括n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段，所述n+1個溫度恒定階段和所述n個溫度提升階段隨時間的增長交替出現(xiàn)，每個所述溫度提升階段的開始溫度等于前一個所述溫度恒定階段的溫度，每個所述溫度提升階段的結(jié)束溫度等于后一個所述溫度恒定階段的溫度，n為正整數(shù)；

在所述氮化鋁緩沖層上生長過渡層，所述過渡層為依次經(jīng)過第一次二維生長、三維生長和第二次二維生長的鋁鎵氮層；

在所述過渡層上依次生長非摻雜氮化鎵層、N型氮化鎵層、多量子阱層、P型電子阻擋層、P型氮化鎵層和P型接觸層。

可選地，最后一個所述溫度提升階段和最后一個所述溫度恒定階段的所述載氣為純氮?dú)狻?/p>

可選地，在所述將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫的過程中，若所述反應(yīng)腔內(nèi)的溫度低于800℃，則所述載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比小于1。

優(yōu)選地，在所述將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫的過程中，若所述反應(yīng)腔內(nèi)的溫度低于800℃，則所述載氣為純氫氣。

可選地，所述增大所述載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比，包括：

保持所述載氣的體積不變，增加所述載氣中氮?dú)獾捏w積，減少所述載氣中氫氣的體積。

可選地，各個所述溫度提升階段的溫度升高速率保持不變、逐漸減小或者逐漸增大。

可選地，相鄰兩個所述溫度恒定階段的溫度的差值各不相同。

可選地，各個所述溫度恒定階段占用的時間為定值。

可選地，所述過渡層的厚度小于或等于1.5μm。

可選地，所述襯底的尺寸為3英寸、4英寸、6英寸、8英寸或者2英寸。

本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：

通過將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫，梯度升溫包括n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段，n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段隨時間的增長交替出現(xiàn)，使溫度可以逐步變化到所需溫度，給予溫度傳遞提供充分的時間，整體溫度可以保持一致，溫場穩(wěn)定、受熱均勻，降低了由于襯底和氮化鋁緩沖層的熱膨脹系數(shù)不同而引起的張應(yīng)力，進(jìn)而緩解晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，改善外延片的翹曲度。同時在將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫的過程中，增大載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比，溫度較低時氫氣較多，有利于去除襯底表面的雜質(zhì)，氮?dú)怆S著溫度的升高增多，可以使氮化鋁緩沖層緩解襯底的凹形形變，進(jìn)一步改善外延片的翹曲度，降低因熱膨脹系數(shù)的差異而引起的張應(yīng)力，緩解晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，降低外延片的位錯和缺陷密度，改善晶體質(zhì)量，提高空穴的注入效率和器件的發(fā)光效率，減少破片率，適應(yīng)大尺寸外延片的生產(chǎn)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種發(fā)光二極管外延片的制備方法的流程圖；

圖2a-圖2h是本發(fā)明實(shí)施例一提供的外延片制備過程中的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例一提供的載氣中氮?dú)夂蜌錃庾兓闆r的示意圖；

圖4a-4c是本發(fā)明實(shí)施例一提供的溫度速率變化情況的示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種發(fā)光二極管外延片的制備方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例一

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的制備方法，參見圖1，該制備方法包括：

步驟101：提供一設(shè)有氮化鋁緩沖層的襯底并放置在反應(yīng)腔中，反應(yīng)腔內(nèi)在LED外延片的制備過程中通入有氮?dú)夂蜌錃庵械闹辽僖环N作為載氣。

圖2a為步驟101執(zhí)行之后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為襯底，2為氮化鋁緩沖層。

步驟102：將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫，同時增大載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比。

具體地，增大載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比，可以包括：

保持載氣的體積不變，增加載氣中氮?dú)獾捏w積，減少載氣中氫氣的體積，如圖3所示。

需要說明的是，上述實(shí)現(xiàn)方式可以保持反應(yīng)腔內(nèi)的生長壓力不變，避免載氣的變化過程影響到外延片生長壓力的變化。

可選地，在進(jìn)行多個階段的升溫過程中，最后一個溫度提升階段和最后一個溫度恒定階段的載氣可以為純氮?dú)?，以充分保護(hù)氮化鋁緩沖層中摻雜的氧，使氧原子在襯底處于高溫的情況下緩解襯底的凹形形變，改善外延片的翹曲度。

可選地，在將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫的過程中，若反應(yīng)腔內(nèi)的溫度低于800℃，則載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比可以小于1，在低溫環(huán)境下利用氫氣能夠去除襯底表面的雜質(zhì)。

優(yōu)選地，在將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫的過程中，若反應(yīng)腔內(nèi)的溫度低于800℃，則載氣可以為純氫氣，襯底表面雜質(zhì)的去除效果達(dá)到最佳。

在本實(shí)施例中，梯度升溫包括n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段，n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段隨時間的增長交替出現(xiàn)，每個溫度提升階段的開始溫度等于前一個溫度恒定階段的溫度，每個溫度提升階段的結(jié)束溫度等于后一個溫度恒定階段的溫度，n為正整數(shù)。

可選地，各個溫度提升階段的溫度升高速率可以保持不變(如圖4a所示)、逐漸減小(如圖4b所示)或者逐漸升高(如圖4c所示)。若溫度升高速率保持不變，則實(shí)現(xiàn)比較簡單；實(shí)驗(yàn)證明，若溫度升高效率逐漸減小或者逐漸升高，則此時外延片的翹曲度較優(yōu)。

可選地，相鄰兩個溫度恒定階段的溫度的差值可以為定值，實(shí)現(xiàn)比較簡單。

可選地，相鄰兩個階段的溫度的差值可以各不相同，可以依據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)效果達(dá)到最佳。

可選地，各個階段占用的時間可以為定值，實(shí)現(xiàn)比較簡單。

可選地，各個階段占用的時間可以各不相同，可以依據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)效果達(dá)到最佳。

具體地，襯底的尺寸可以為3英寸、4英寸、6英寸、8英寸或者2英寸，特別適用于大尺寸的襯底。其中，襯底的尺寸中為襯底的邊緣兩點(diǎn)之間的最長距離。

具體地，襯底的材料可以采用藍(lán)寶石、Si、SiC、GaN、AlN、ZnO、GaAs、金屬中的任一種。

步驟103：保持反應(yīng)腔內(nèi)的溫度不變，同時在氮化鋁緩沖層上生長過渡層。

圖2b為步驟103執(zhí)行之后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，3為過渡層。

在本實(shí)施例中，過渡層為依次經(jīng)過第一次二維生長、三維生長和第二次二維生長的鋁鎵氮層。在具體實(shí)現(xiàn)中，到達(dá)氮化鋁表面的鋁鎵氮原子會先平鋪在氮化鋁緩沖層上，完成第一次二維生長。由于鋁鎵氮層和藍(lán)寶石襯底、氮化鋁之間存在一定的晶格失配，因此平鋪一層之后，鋁鎵氮原子會先在比較容易成核的地方聚集成核，后面到達(dá)的鋁鎵氮原子聚集在核的周圍，使核不斷長大，完成三維生長。核長大到一定程度，會與相鄰的核合并，最終使鋁鎵氮原子再次平鋪在氮化鋁緩沖層上，完成第二次二維生長。

具體地，過渡層為Al_xGa_1-xN(鋁鎵氮)層，0＜x＜1。

可選地，過渡層的厚度可以小于或等于1.5μm。具體地，過渡層的厚度可以大于200nm。

步驟104：升高反應(yīng)腔內(nèi)的溫度，并在反應(yīng)腔內(nèi)的溫度升高之后，在過渡層上生長非摻雜氮化鎵層。

圖2c為步驟104執(zhí)行之后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，4為非摻雜氮化鎵層。

步驟105：降低反應(yīng)腔內(nèi)的溫度，并在反應(yīng)腔內(nèi)的溫度降低之后，降低溫度在非摻雜氮化鎵層上生長N型氮化鎵層。

圖2d為步驟105執(zhí)行之后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，5為N型氮化鎵層。

具體地，N型氮化鎵層中的N型摻雜劑可以為Si。

步驟106：在N型氮化鎵層上交替生長銦鎵氮子層和氮化鎵子層，形成多量子阱層，每個銦鎵氮子層和每個氮化鎵子層生長之前調(diào)整一次反應(yīng)腔內(nèi)的溫度。

圖2e為步驟106執(zhí)行之后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，6為多量子阱層。

步驟107：調(diào)整反應(yīng)腔內(nèi)的溫度，并在反應(yīng)腔內(nèi)的溫度調(diào)整之后，在多量子阱層上生長P型電子阻擋層。

圖2f為步驟107執(zhí)行之后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，7為P型電子阻擋層。

具體地，P型電子阻擋層為P型摻雜的鋁鎵氮層。其中，P型摻雜劑可以為Mg。

步驟108：升高反應(yīng)腔內(nèi)的溫度，并在反應(yīng)腔內(nèi)的溫度升高之后，在P型電子阻擋層上生長P型氮化鎵層。

圖2g為步驟108執(zhí)行之后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，8為P型氮化鎵層。

具體地，P型氮化鎵層中的P型摻雜劑可以為Mg。

步驟109：升高反應(yīng)腔內(nèi)的溫度，并在反應(yīng)腔內(nèi)的溫度升高之后，升高溫度在P型氮化鎵層上生長P型接觸層。

圖2h為步驟109執(zhí)行之后的外延片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，9為P型接觸層。

在本實(shí)施例中，P型接觸層為P型摻雜的氮化鎵層。其中，P型摻雜劑可以為Mg。具體地，P型接觸層的厚度小于P型層的厚度。

本發(fā)明實(shí)施例通過將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫，梯度升溫包括n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段，n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段隨時間的增長交替出現(xiàn)，使溫度可以逐步變化到所需溫度，給予溫度傳遞提供充分的時間，整體溫度可以保持一致，溫場穩(wěn)定、受熱均勻，降低了由于襯底和氮化鋁緩沖層的熱膨脹系數(shù)不同而引起的張應(yīng)力，進(jìn)而緩解晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，改善外延片的翹曲度。同時在將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫的過程中，增大載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比，溫度較低時氫氣較多，有利于去除襯底表面的雜質(zhì)，氮?dú)怆S著溫度的升高增多，可以使氮化鋁緩沖層緩解襯底的凹形形變，進(jìn)一步改善外延片的翹曲度，降低因熱膨脹系數(shù)的差異而引起的張應(yīng)力，緩解晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，降低外延片的位錯和缺陷密度，改善晶體質(zhì)量，提高空穴的注入效率和器件的發(fā)光效率，減少破片率，適應(yīng)大尺寸外延片的生產(chǎn)。

實(shí)施例二

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管外延片的制備方法，本實(shí)施例提供的制備方法是實(shí)施例一提供的制備方法的具體實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施例中，以高純氫氣(H₂)或氮?dú)?N₂)作為載氣，以三甲基鎵(TMGa)、三甲基鋁(TMAl)、三甲基銦(TMIn)和氨氣(NH₃)分別作為Ga、Al、In、N源，采用硅烷(SiH₄)、二茂鎂(Cp₂Mg)分別作為N型、P型摻雜劑。參見圖5，該制備方法包括：

步驟201：提供一設(shè)有氮化鋁緩沖層的襯底并放置在反應(yīng)腔中，反應(yīng)腔內(nèi)在發(fā)光二極管外延片的制備過程中通入有氮?dú)夂蜌錃庵械闹辽僖环N作為載氣。

步驟202：先在純氫氣氣氛下將溫度升至500℃，再在純氫氣氣氛下將溫度升至800℃并穩(wěn)定30s，再在氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比為2的載氣氣氛下將溫度升至1000℃并穩(wěn)定30s，再在純氮?dú)鈿夥障聦囟壬?250℃并穩(wěn)定400s。

步驟203：保持1250℃的溫度，在氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比為1/3的載氣氣氛下生長厚度為1μm的過渡層。

步驟204：升高溫度至1255℃，沉積厚度為1.5μm的非摻雜氮化鎵層。

步驟205：降低溫度至1100℃，生長厚度為2μm的N型氮化鎵層。

步驟206：交替生長8層銦鎵氮子層和8層氮化鎵子層，形成多量子阱層。

在本實(shí)施例中，銦鎵氮子層的厚度為3nm，銦鎵氮子層的生長溫度為880℃；氮化鎵子層的厚度為12nm，氮化鎵子層的生長溫度為985℃。需要說明的是，由于In對溫度敏感，容易在高溫下?lián)]發(fā)，為了便于In的生長，銦鎵氮子層的生長溫度要低一些，而氮化鎵子層要求晶體質(zhì)量要好，因此溫度要適當(dāng)高些。

步驟207：在980℃的溫度下，生長厚度為50nm的P型電子阻擋層。

步驟208：在1090℃的溫度下，生長厚度為200nm的P型氮化鎵層。

步驟209：在1120℃的溫度下，生長厚度為10nm的P型接觸層。

需要說明的是，上述步驟可以采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備實(shí)現(xiàn)，外延生長結(jié)束后，對生長的外延片進(jìn)行清洗、沉積、光刻和刻蝕等半導(dǎo)體加工工藝，即可制成單顆芯片。

本發(fā)明實(shí)施例通過將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫，梯度升溫包括n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段，n+1個溫度恒定階段和n個溫度提升階段隨時間的增長交替出現(xiàn)，使溫度可以逐步變化到所需溫度，給予溫度傳遞提供充分的時間，整體溫度可以保持一致，溫場穩(wěn)定、受熱均勻，降低了由于襯底和氮化鋁緩沖層的熱膨脹系數(shù)不同而引起的張應(yīng)力，進(jìn)而緩解晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，改善外延片的翹曲度。同時在將反應(yīng)腔內(nèi)的溫度進(jìn)行梯度升溫的過程中，增大載氣中氮?dú)夂蜌錃獾捏w積比，溫度較低時氫氣較多，有利于去除襯底表面的雜質(zhì)，氮?dú)怆S著溫度的升高增多，可以使氮化鋁緩沖層緩解襯底的凹形形變，進(jìn)一步改善外延片的翹曲度，降低因熱膨脹系數(shù)的差異而引起的張應(yīng)力，緩解晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力，降低外延片的位錯和缺陷密度，改善晶體質(zhì)量，提高空穴的注入效率和器件的發(fā)光效率，減少破片率，適應(yīng)大尺寸外延片的生產(chǎn)。

上述本發(fā)明實(shí)施例序號僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。