CN106159052A - 一种发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在蓝宝石衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、发光层、P型电子阻挡层、P型GaN层，蓝宝石衬底上设有若干凸起，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同。本发明通过蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同，对蓝宝石衬底的边缘上生长的GaN材料和蓝宝石衬底的中心上生长的GaN材料产生不同的作用力，可以缓解由于蓝宝石衬底的边缘温度会高于蓝宝石衬底的中心温度而造成LED的发光波长不均匀的情况，提高LED的良率。

Description

一种发光二极管外延片及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
半导体发光二极管(Light Emitting Diode，简称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。GaN基材料包括InGaN、GaN、AlGaN、AlInGaN合金，具有禁带宽度大、电子漂移速度不易饱和、击穿场强大、介电常数小、导热性能好、耐高温、抗腐蚀等优点，是LED的优良材料。
GaN材料绝大多数生长在蓝宝石衬底上，GaN基材料与蓝宝石衬底之间有较大的晶格失配度和较大的热膨胀系数差异，导致GaN外延层内产生高密度的缺陷。为了减少GaN外延材料的位错密度，会先对蓝宝石衬底进行刻蚀，在蓝宝石衬底上形成若干尺寸相同的凸块，再在形成有凸块的蓝宝石衬底上生长GaN材料。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
GaN材料的生长过程中，蓝宝石衬底通过设置在其边缘的载具悬在托盘的上方上，热量从托盘传递到蓝宝石衬底上。由于蓝宝石衬底的边缘经过载具与托盘接触，蓝宝石衬底的中心经过空气与托盘接触，因此蓝宝石衬底的边缘温度会高于蓝宝石衬底的中心温度，造成LED的发光波长不均匀，影响LED的良率。
发明内容
为了解决现有技术LED的发光波长不均匀的问题，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、发光层、P型电子阻挡层、P型GaN层，所述蓝宝石衬底上设有若干凸起，所述蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与所述蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同。
可选地，所述凸起的尺寸包括所述凸起的底面宽度、所述凸起的高度、所述凸起的弯曲值，所述凸起的弯曲值为所述凸起的顶点和所述凸起的底面边缘的连线与所述凸起的圆弧顶点的间距。
优选地，所述凸起的底面宽度为2.6～2.9μm，所述凸起的高度为1.6～1.9μm，所述凸起的弯曲值为100～200nm。
可选地，所述蓝宝石衬底的中心与所述蓝宝石衬底的边缘的长度比为1:1～1:20。
优选地，所述蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与所述蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸的差值比例为5％～50％。
另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
对蓝宝石衬底进行刻蚀，在蓝宝石衬底上形成若干凸起；
在形成有若干凸起的所述蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、发光层、P型电子阻挡层、P型GaN层；
所述蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与所述蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同。
可选地，所述凸起的尺寸包括所述凸起的底面宽度、所述凸起的高度、所述凸起的弯曲值，所述凸起的弯曲值为所述凸起的顶点和所述凸起的底面边缘的连线与所述凸起的圆弧顶点的间距。
优选地，所述凸起的底面宽度为2.6～2.9μm，所述凸起的高度为1.6～1.9μm，所述凸起的弯曲值为100～200nm。
可选地，所述蓝宝石衬底的中心与所述蓝宝石衬底的边缘的长度比为1:1～1:20。
可选地，所述蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与所述蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸的差值比例为5％～50％。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在蓝宝石衬底上设置若干凸起，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同，对蓝宝石衬底的边缘上生长的GaN材料和蓝宝石衬底的中心上生长的GaN材料产生不同的作用力，影响垒晶的质量和内部应力的释放，可以缓解由于蓝宝石衬底的边缘温度会高于蓝宝石衬底的中心温度而造成LED的发光波长不均匀的情况，提高LED的良率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例一提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的凸起的结构示意图；
图3是本发明实施例二提供的一种发光二极管外延片的制造方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片，参见图1，该发光二极管外延片包括蓝宝石衬底1、以及依次层叠在蓝宝石衬底1上的缓冲层2、非掺杂GaN层3、N型GaN层4、应力释放层5、发光层6、P型电子阻挡层7、P型GaN层8。
在本实施例中，如图1所示，蓝宝石衬底1上设有若干凸起，蓝宝石衬底1的中心11设置的凸起10a的尺寸与蓝宝石衬底1的边缘12设置的凸起10b的尺寸不同。
优选地，蓝宝石衬底1的中心11设置的凸起10a的尺寸可以小于蓝宝石衬底1的边缘12设置的凸起10b的尺寸。
可选地，参见图2，凸起的尺寸可以包括凸起的底面宽度D、凸起的高度H、凸起的弯曲值R，凸起的弯曲值为凸起的顶点和凸起的底面边缘的连线与凸起的圆弧顶点的间距。
优选地，凸起的底面宽度可以为2.6～2.9μm，凸起的高度可以为1.6～1.9μm，凸起的弯曲值可以为100～200nm。例如，蓝宝石衬底1的中心11设置的凸起10a的底面宽度为2.7～2.75μm，高度为1.7～1.75μm，弯曲值为240nm；蓝宝石衬底1的边缘12设置的凸起10b的底面宽度为2.7～2.75μm，高度为1.65～1.7μm，弯曲值为200nm。
可选地，如图1所示，蓝宝石衬底1的中心11与蓝宝石衬底1的边缘12的长度比可以为1:1～1:20。例如，蓝宝石衬底1的中心11与蓝宝石衬底1的边缘12的长度比为9:1。
可选地，蓝宝石衬底1的中心11设置的凸起10a的尺寸与蓝宝石衬底1的边缘12设置的凸起10b的尺寸的差值比例可以为5％～50％。例如，蓝宝石衬底1的中心11设置的凸起10a的弯曲值为240nm，蓝宝石衬底1的边缘12设置的凸起10b的弯曲值为200nm，差值比例为(240nm-200nm)/240nm≈17％。
在本实施例中，缓冲层2为GaN层，应力释放层5交替层叠的InGaN层和GaN层，发光层6包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，P型电子阻挡层7为P型AlGaN层。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底上设置若干凸起，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同，对蓝宝石衬底的边缘上生长的GaN材料和蓝宝石衬底的中心上生长的GaN材料产生不同的作用力，影响垒晶的质量和内部应力的释放，可以缓解由于蓝宝石衬底的边缘温度会高于蓝宝石衬底的中心温度而造成LED的发光波长不均匀的情况，提高LED的良率。
实施例二
本发明实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，适用于制造实施例一提供的发光二极管的外延片，参见图3，该制造方法包括：
步骤201：对蓝宝石衬底进行刻蚀，在蓝宝石衬底上形成若干凸起。
在本实施例中，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同。
优选地，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸可以小于蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸。
可选地，凸起的尺寸可以包括凸起的底面宽度、凸起的高度、凸起的弯曲值，凸起的弯曲值为凸起的顶点和凸起的底面边缘的连线与凸起的圆弧顶点的间距。
优选地，凸起的底面宽度可以为2.6～2.9μm，凸起的高度可以为1.6～1.9μm，凸起的弯曲值可以为100～200nm。例如，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的底面宽度为2.7～2.75μm，高度为1.7～1.75μm，弯曲值为240nm；蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的底面宽度为2.7～2.75μm，高度为1.65～1.7μm，弯曲值为200nm。
可选地，蓝宝石衬底的中心与蓝宝石衬底的边缘的长度比可以为1:1～1:20。例如，蓝宝石衬底的中心与蓝宝石衬底的边缘的长度比为9:1。
可选地，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸的差值比例可以为5％～50％。例如，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的弯曲值为240nm，蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的弯曲值为200nm，差值比例为(240nm-200nm)/240nm≈17％。
步骤202：将形成有若干凸起的蓝宝石衬底在温度为1050℃的纯氢气气氛里进行退火，并进行氮化处理。
在本实施例中，以高纯氢气(H2)或氮气(N2)作为载气，以三甲基稼(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)和氨气(NH3)分别作为Ga、Al、In和N源，用硅烷(SiH4)、二茂镁(CP2Mg)分别作为N、P型掺杂剂。
步骤203：将温度控制为540℃，在形成有若干凸起的蓝宝石衬底上生长厚度为25nm的缓冲层。
步骤204：停止通入TMGa，将温度控制在1040℃，对缓冲层在原位进行8分钟的退火处理。
步骤205：在缓冲层上生长厚度为1μm的非掺杂GaN层。
步骤206：在非掺杂GaN层上生长厚度为2μm的N型GaN层。
步骤207：将压力控制在300torr，在N型GaN层上生长应力释放层。
在本实施例中，应力释放层包括交替层叠的InGaN层和GaN层，InGaN层和GaN层的层数均为6层，InGaN层的厚度为2nm，GaN层的厚度为30nm。
步骤208：在应力释放层上生长发光层。
在本实施例中，发光层包括交替层叠的InGaN量子阱层和GaN量子垒层，InGaN量子阱层和GaN量子垒层的层数均为8～12层，InGaN量子阱层的厚度为2.5nm，GaN量子垒层的厚度为15nm。
步骤209：在发光层上生长厚度为80nm的P型电子阻挡层。
在本实施例中，P型电子阻挡层为P型AlGaN层。
步骤210：在P型电子阻挡层上生长0.2μm的P型GaN层。
步骤211：在P型GaN层上生长厚度为15nm的P型接触层。
需要说明的是，在外延生长工艺结束后，将反应腔的温度降至800℃，在纯氮气气氛下进行退火处理10min，然后降至室温，结束外延生长。经过清洗、沉积、光刻和刻蚀等半导体加工工艺制程后，将LED外延片分割成LED芯片。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底上设置若干凸起，蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同，对蓝宝石衬底的边缘上生长的GaN材料和蓝宝石衬底的中心上生长的GaN材料产生不同的作用力，影响垒晶的质量和内部应力的释放，可以缓解由于蓝宝石衬底的边缘温度会高于蓝宝石衬底的中心温度而造成LED的发光波长不均匀的情况，提高LED的良率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种发光二极管外延片，所述发光二极管外延片包括蓝宝石衬底、以及依次层叠在所述蓝宝石衬底上的缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、发光层、P型电子阻挡层、P型GaN层，其特征在于，所述蓝宝石衬底上设有若干凸起，所述蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与所述蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同。
2.根据权利要求1所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述凸起的尺寸包括所述凸起的底面宽度、所述凸起的高度、所述凸起的弯曲值，所述凸起的弯曲值为所述凸起的顶点和所述凸起的底面边缘的连线与所述凸起的圆弧顶点的间距。
3.根据权利要求2所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述凸起的底面宽度为2.6～2.9μm，所述凸起的高度为1.6～1.9μm，所述凸起的弯曲值为100～200nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述蓝宝石衬底的中心与所述蓝宝石衬底的边缘的长度比为1:1～1:20。
5.根据权利要求1-3任一项所述的发光二极管外延片，其特征在于，所述蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与所述蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸的差值比例为5％～50％。
6.一种发光二极管外延片的制造方法，所述制造方法包括：
对蓝宝石衬底进行刻蚀，在蓝宝石衬底上形成若干凸起；
在形成有若干凸起的所述蓝宝石衬底上依次生长缓冲层、非掺杂GaN层、N型GaN层、应力释放层、发光层、P型电子阻挡层、P型GaN层；
其特征在于，所述蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与所述蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸不同。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述凸起的尺寸包括所述凸起的底面宽度、所述凸起的高度、所述凸起的弯曲值，所述凸起的弯曲值为所述凸起的顶点和所述凸起的底面边缘的连线与所述凸起的圆弧顶点的间距。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述凸起的底面宽度为2.6～2.9μm，所述凸起的高度为1.6～1.9μm，所述凸起的弯曲值为100～200nm。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制造方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底的中心与所述蓝宝石衬底的边缘的长度比为1:1～1:20。
10.根据权利要求6-8任一项所述的制造方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底的中心设置的凸起的尺寸与所述蓝宝石衬底的边缘设置的凸起的尺寸的差值比例为5％～50％。
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