CN114094001A - 基底、发光二极管外延片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基底、发光二极管外延片及其制造方法，属于半导体技术领域。所述基底包括平片衬底、以及位于所述平片衬底上的氧化铝层，所述平片衬底的与所述氧化铝层接触的一面上具有散热结构，所述散热结构在所述平片衬底的表面呈网格状布置，且所述散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构。采用该基底可以提升发光二极管的散热，降低能耗，增加器件的高效工作能力。
Description
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别涉及一种基底、发光二极管外延片及其制造方法。
背景技术
GaN(氮化镓)材料是一种宽带隙(Eg＝3.39eV)半导体材料，具有优良的物理和化学特性，掺人一定比例的In或Al后，其禁带宽度可在0.77～6.28eV的宽广范围内变化，可用于制作从红光到紫外光的发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)等光电子器件，具有广阔的应用前景。
外延片是LED中的主要构成部分，现有的氮化镓基LED外延片包括蓝宝石衬底和依次层叠在衬底上的未掺杂的氮化镓层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层。N型半导体层用于提供进行复合发光的电子，P型半导体层用于提供进行复合发光的空穴，多量子阱层用于进行电子和空穴的辐射复合发光。提供电能后，载流子在阱区复合发光，随着发光时间的增加或工作电流的变化，材料会发热，阱区发热尤为明显，载流子束缚能力降低，量子效率急剧下降。
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：
异质外延由于晶格常数的差异，应力和极化的变化等对制备出的氮化镓晶体质量影响巨大，同时。氮化镓材料在器件工作中会产生自加热现象，出现温度升高的情况。随着温度升高，热动能增加，带隙、溢流及工作效率都会出现变化，严重时甚至会对器件产生不可逆的损伤，从而导致器件失效。
发明内容
本公开实施例提供了一种基底、发光二极管外延片及其制造方法，可以提升发光二极管的散热，降低能耗，增加器件的高效工作能力。所述技术方案如下：
第一方面，提供了一种基底，所述基底包括平片衬底、以及位于所述平片衬底上的氧化铝层，所述平片衬底的与所述氧化铝层接触的一面上具有散热结构，所述散热结构在所述平片衬底的表面呈网格状布置，且所述散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构。
可选地，每个所述空心球壳的直径均为50～150nm。
可选地，所述散热结构在所述平片衬底的表面形成的网格尺寸为1um*1um～3um*3um。
可选地，所述平片衬底的厚度为400-1500um。
可选地，所述平片衬底为蓝宝石衬底、硅片或碳化硅衬底。
第二方面，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如第一方面所述的基底、以及依次层叠在所述基底上的未掺杂的氮化镓层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层。
第三方面，提供了一种基底的制造方法，所述制造方法包括：
提供一平片衬底；
在所述平片衬底上形成散热结构和氧化铝层，所述散热结构在所述平片衬底的与所述氧化铝层接触的一面上呈网格状布置，且所述散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构。
可选地，所述在所述平片衬底上形成散热结构和氧化铝层，包括：
在所述平片衬底表面室温喷涂包含多个聚苯乙烯微球的散热材料，使得所述散热材料在所述平片衬底上呈网格状布置；
在所述平片衬底的具有所述散热材料的一面上沉积氧化铝层；
对所述平片衬底进行高温退火处理，去除所述多个聚苯乙烯微球中的部分聚苯乙烯材料，使得所述多个聚苯乙烯微球均变为空心球壳，以形成所述散热结构。
可选地，所述制造方法还可以包括：
向所述空心球壳中通入导热流体。
第四方面，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：
采用如第三方面所述的制造方法制造基底；
在所述基底上依次生长未掺杂的氮化镓层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在平片衬底的与氧化铝层接触的一面上设置散热结构，散热结构在平片衬底的表面呈网格状布置，可以起到均匀调整热管理的效果，且有利于对热流体的方向进行管控。同时，散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构，空心球壳内部中空，可以起到较好的散热作用。在具体使用时，可以在多个空心球壳内通入导热流体以增强散热。因此，当氮化镓材料在器件工作中产生自加热现象，出现温度升高的情况时，采用该基底可以起到降温作用，从而可以提升发光二极管的散热，降低能耗，增加器件的高效工作能力。
附图说明
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。
图1是本公开实施例提供的一种基底的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的一种平片衬底的表面结构示意图；
图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图；
图4是本公开实施例提供的一种基底的制造方法流程图；
图5是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图；
图6是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图。
具体实施方式
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。
图1是本公开实施例提供的一种基底的结构示意图，如图1所示，该基底1包括平片衬底11、以及位于平片衬底11上的氧化铝层12，平片衬底11的与氧化铝层12接触的一面上具有散热结构11a。
图2是本公开实施例提供的一种平片衬底的表面结构示意图，如图2所示，散热结构11a在平片衬底11的表面呈网格状布置，且散热结构11a为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构。
本公开实施例通过在平片衬底的与氧化铝层接触的一面上设置散热结构，散热结构在平片衬底的表面呈网格状布置，可以起到均匀调整热管理的效果，且有利于对热流体的方向进行管控。同时，散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构，空心球壳内部中空，可以起到较好的散热作用。在具体使用时，可以在多个空心球壳内通入导热流体以增强散热。因此，当氮化镓材料在器件工作中产生自加热现象，出现温度升高的情况时，采用该基底可以起到降温作用，从而可以提升发光二极管的散热，降低能耗，增加器件的高效工作能力。
需要说明的是，在本公开实施例中，多个空心球壳内通入的导热流体指的是可以带走热流的流体材料，例如水。
可选地，每个空心球壳的直径均为50～150nm。
若每个空心球壳的直径小于50nm，则无法起到较好的散热效果。若每个空心球壳的直径大于150nm，又会导致平面内排布球壳密度小，难以有效保证均匀性。
可选地，散热结构11a在平片衬底11的表面形成的网格尺寸为1um*1um～3um*3um。
如图2所示，散热结构11a在平片衬底11的表面形成的网格尺寸为a*b，当a＝1um，b＝1um时，网格尺寸即为1um*1um。
若网格尺寸过大会导致微观区域与区域间差异变得明显。若网格尺寸过小，则会增加制造难度。
可选地，平片衬底11的厚度为400-1500um。
若平片衬底11的厚度过薄，则机械强度减弱，容易造成裂片。若平片衬底11的厚度过厚，又会增加成本。
因此，将平片衬底11的厚度设置为上述取值范围，此时既可以保证平片衬底11不会有裂片风险，又可以防止成本增加。
可选地，平片衬底11为蓝宝石衬底、硅片或碳化硅衬底。其中，采用蓝宝石衬底或硅片作为衬底，成本较低。
在本公开实施例中，平片衬底11也可以采用其它的耐高温，高热导率的材料。
可选地，氧化铝层12为Al2O3层。一方面，通过设置氧化铝层12，可以起到填平作用，使得基底表面平整。另一方面，Al2O3层可以吸附Mo源方便外延生长。
可选地，氧化铝层12在低温环境下生长而成，例如20～100℃。由于聚苯乙烯微球是有机物，在高温下会分解，难以保证形状，因此，在其上生长的氧化铝层12低温生长，可以对聚苯乙烯微球起到保护作用。
可选地，氧化铝层12的厚度为200～400nm。
若氧化铝层12的厚度过薄，则难以起到较好的填平效果，若氧化铝层12的厚度过厚，又会导致有机物难以有效去除。
本公开实施例还提供了一种发光二极管外延片，该发光二极管外延片包括如图1和图2所述的基底、以及在基底上生长外延层。
图3是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的结构示意图，如图3所示，该发光二极管外延片包括基底1、以及依次层叠在基底1上的未掺杂的氮化镓层3、N型半导体层4、多量子阱层5、电子阻挡层6和P型半导体层7。
可选地，该基底1包括平片衬底11、以及位于平片衬底11上的氧化铝层12，平片衬底11的与氧化铝层12接触的一面上具有散热结构11a。
可选地，每个空心球壳的直径均为50～150nm。
可选地，散热结构11a在平片衬底11的表面形成的网格尺寸为1um*1um～3um*3um。
可选地，平片衬底11的厚度为400～1500um。
可选地，平片衬底11为蓝宝石衬底、硅片或碳化硅衬底。其中，采用蓝宝石衬底或硅片作为衬底，成本较低。
可选地，氧化铝层12为低温生长的Al2O3层。
可选地，氧化铝层12的厚度为200～400nm。
可选地，该发光二极管外延片还包括设置在基底1和未掺杂的氮化镓层3之间的缓冲层2，缓冲层2为GaN层，厚度为15～50nm。
可选地，未掺杂的GaN层3的厚度为0.5～1.0um。
可选地，N型半导体层4为掺Si的GaN层，厚度为1～2um。N型半导体层4中Si的掺杂浓度可以为1018cm-3～1020cm-3。
可选地，多量子阱层5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6～12nm。
可选地，电子阻挡层6为掺Mg的AlGaN层，厚度为15～70nm。电子阻挡层6中Mg的掺杂浓度可以为1017cm-3～1018cm-3。
可选地，P型半导体层7为掺Mg的GaN层，厚度为10～50nm。P型半导体层7中Mg的掺杂浓度可以为1018cm-3～1020cm-3。
可选地，该发光二极管外延片还包括设置在P型半导体层7上的电极接触层8。电极接触层8为掺Mg的GaN层，厚度为1～5nm。
在本公开实施例中，在基底1上生长的外延层的总厚度为3.5-5um。由于光电子器件在工作时，在阱区会产生较高的热量，而散热结构在衬底和外延层间，当外延层较薄时，热量可以快速传导至热管理层并被带走，对于结温控制有好处。
本公开实施例采用的发光二极管外延片的基底，其平片衬底的与氧化铝层接触的一面上设置散热结构，散热结构在平片衬底的表面呈网格状布置，可以起到均匀调整热管理的效果，且有利于对热流体的方向进行管控。同时，散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构，空心球壳内部中空，可以起到较好的散热作用。在具体使用时，可以在多个空心球壳内通入导热流体以增强散热。因此，当氮化镓材料在器件工作中产生自加热现象，出现温度升高的情况时，采用该基底可以起到降温作用，从而可以提升发光二极管的散热，降低能耗，增加器件的高效工作能力。
本公开实施例提供了一种基底的制造方法，用于制造如图1和2所示的基底。图4是本公开实施例提供的一种基底的制造方法流程图，如图4所示，该制造方法包括：
步骤401、提供一平片衬底。
在本公开实施例中，平片衬底为蓝宝石衬底、硅片或碳化硅衬底。
可选地，平片衬底的厚度为400～1500um。
步骤402、在平片衬底上形成散热结构和氧化铝层，散热结构在平片衬底的与氧化铝层接触的一面上呈网格状布置，且散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构。
可选地，每个空心球壳的直径均为50～150nm。
可选地，步骤402可以包括：
第一步、在平片衬底表面室温喷涂包含多个聚苯乙烯微球的散热材料，使得散热材料在平片衬底上呈网格状布置。
可选地，散热材料在平片衬底的表面形成的网格尺寸为1um*1um～3um*3um。
第二步、在平片衬底的具有散热材料的一面上沉积氧化铝层。
可选地，氧化铝层12为Al2O3层。可以采用原子层沉积设备低温沉积Al2O3层，沉积厚度200～400nm，沉积温度为20-100℃。
第三步、对平片衬底进行高温退火处理，去除多个聚苯乙烯微球中的部分聚苯乙烯材料，使得多个聚苯乙烯微球均变为空心球壳，以形成散热结构。
可选地，退火温度1200℃～2000℃，退火时间30min～120min。退火气氛为氮氧混合气。其中，氮气与氧气比例5：1～1：1。一方面高温退火可以提供充足的反应温度和时间实现聚苯乙烯的分解和挥发，使得多个聚苯乙烯微球均变为空心球壳。另一方面高温退火可以获得充足的热动能和时间，使得原子层沉积的Al2O3层实现单晶化，提升晶体质量。
可选地，制造方法还可以包括：
向空心球壳中通入导热流体。
在本公开实施例中，多个空心球壳内通入的导热流体指的是可以带走热流的流体材料，例如水。
本公开实施例通过在平片衬底的与氧化铝层接触的一面上设置散热结构，散热结构在平片衬底的表面呈网格状布置，可以起到均匀调整热管理的效果，且有利于对热流体的方向进行管控。同时，散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构，空心球壳内部中空，可以起到较好的散热作用。在具体使用时，可以在多个空心球壳内通入导热流体以增强散热。因此，当氮化镓材料在器件工作中产生自加热现象，出现温度升高的情况时，采用该基底可以起到降温作用，从而可以提升发光二极管的散热，降低能耗，增加器件的高效工作能力。
本公开实施例提供了一种发光二极管外延片的制造方法，用于制造如图3所示的发光二极管外延片。图5是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图5所示，该制造方法包括：
步骤501、提供一基底。
可选地，该步骤501中的基底的制造方法可以与图4所述的基底的制造方法相同，在此不再详述。
步骤502、在基底上依次生长未掺杂的氮化镓层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层。
本公开实施例通过在平片衬底的与氧化铝层接触的一面上设置散热结构，散热结构在平片衬底的表面呈网格状布置，可以起到均匀调整热管理的效果，且有利于对热流体的方向进行管控。同时，散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构，空心球壳内部中空，可以起到较好的散热作用。在具体使用时，可以在多个空心球壳内通入导热流体以增强散热。因此，当氮化镓材料在器件工作中产生自加热现象，出现温度升高的情况时，采用该基底可以起到降温作用，从而可以提升发光二极管的散热，降低能耗，增加器件的高效工作能力。
本公开实施例提供了另一种发光二极管外延片的制造方法，用于制造如图3所示的发光二极管外延片。图6是本公开实施例提供的一种发光二极管外延片的制造方法流程图，如图6所示，该制造方法包括：
步骤601、提供一基底。
可选地，该步骤601中的基底的制造方法可以与图4所述的基底的制造方法相同，在此不再详述。
步骤602、在基底上生长缓冲层。
其中，缓冲层为GaN层，厚度为15～50nm。
在本实施例中，采用Veeco K465i or C4 or RB MOCVD(Metal Organic ChemicalVapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)设备实现外延片的制造方法。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。控制温度、压力均是指控制生长外延片的反应室中的温度、压力，
示例性地，控制反应室温度为950～1100℃，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在基底上生长缓冲层。
步骤603、在缓冲层上生长未掺杂的GaN层。
可选地，未掺杂的GaN层的厚度为0.5～1.0um，未掺杂的GaN层可以起到较好的应力释放的作用，还可为后续外延生长提供一个较好的底层基底。
示例性地，控制反应室温度为950～1100℃，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在多孔氮化镓基底上生长未掺杂GaN层。
步骤604、在未掺杂的GaN层上生长N型半导体层。
其中，N型半导体层为掺Si的GaN层，厚度为1～2um。N型半导体层中Si的掺杂浓度可以为1018cm-3～1020cm-3。
示例性地，控制反应室温度为700～850℃，压力为100torr～300Torr，在缓冲层上生长N型半导体层。
步骤605、在N型半导体层上生长多量子阱层。
可选地，多量子阱层包括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6～12nm。
示例性地，控制反应室温度为650℃～800℃，压力为100torr～300Torr(优选为200torr)，在N型半导体层上生长多量子阱层。
步骤606、在多量子阱层上生长电子阻挡层。
其中，电子阻挡层为掺Mg的AlGaN层，厚度为15～70nm。电子阻挡层中Mg的掺杂浓度可以为1017cm-3～1018cm-3。
步骤607、在电子阻挡层上生长P型半导体层。
其中，P型半导体层为掺Mg的GaN层，厚度为10～50nm。P型半导体层中Mg的掺杂浓度可以为1018cm-3～1020cm-3。
示例性地，控制反应室温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在多量子阱层上生长P型半导体层。
步骤608、在P型半导体层上生长电极接触层。
其中，电极接触层为掺Mg的GaN层，厚度为1～5nm。
示例性地，控制反应室温度为850℃～1050℃(优选为950℃)，压力为100torr～300torr(优选为200torr)，在P型半导体层上生长电极接触层。
可选地，制造方法还可以包括：
向空心球壳中通入导热流体。
在本公开实施例中，多个空心球壳内通入的导热流体指的是可以带走热流的流体材料，例如水。
需要说明的是，在上述外延生长结束之后，会先将温度降低至650℃～850℃(优选为750℃)，在氮气气氛中对外延片进行5分钟～15分钟(优选为10分钟)的退火处理，然后再将外延片的温度降低至室温。
本公开实施例通过在平片衬底的与氧化铝层接触的一面上设置散热结构，散热结构在平片衬底的表面呈网格状布置，可以起到均匀调整热管理的效果，且有利于对热流体的方向进行管控。同时，散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构，空心球壳内部中空，可以起到较好的散热作用。在具体使用时，可以在多个空心球壳内通入导热流体以增强散热。因此，当氮化镓材料在器件工作中产生自加热现象，出现温度升高的情况时，采用该基底可以起到降温作用，从而可以提升发光二极管的散热，降低能耗，增加器件的高效工作能力。
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。
Claims (10)
1.一种基底，其特征在于，所述基底包括平片衬底、以及位于所述平片衬底上的氧化铝层，所述平片衬底的与所述氧化铝层接触的一面上具有散热结构，所述散热结构在所述平片衬底的表面呈网格状布置，且所述散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构。
2.根据权利要求1所述的基底，其特征在于，每个所述空心球壳的直径均为50～150nm。
3.根据权利要求2所述的基底，其特征在于，所述散热结构在所述平片衬底的表面形成的网格尺寸为1um*1um～3um*3um。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基底，其特征在于，所述平片衬底的厚度为400-1500um。
5.根据权利要求4所述的基底，其特征在于，所述平片衬底为蓝宝石衬底、硅片或碳化硅衬底。
6.一种发光二极管外延片，其特征在于，所述发光二极管外延片包括如权利要求1～5任一项所述的基底、以及依次层叠在所述基底上的未掺杂的氮化镓层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层。
7.一种基底的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
提供一平片衬底；
在所述平片衬底上形成散热结构和氧化铝层，所述散热结构在所述平片衬底的与所述氧化铝层接触的一面上呈网格状布置，且所述散热结构为包括多个聚苯乙烯微球的空心球壳的结构。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述在所述平片衬底上形成散热结构和氧化铝层，包括：
在所述平片衬底表面室温喷涂包含多个聚苯乙烯微球的散热材料，使得所述散热材料在所述平片衬底上呈网格状布置；
在所述平片衬底的具有所述散热材料的一面上沉积氧化铝层；
对所述平片衬底进行高温退火处理，去除所述多个聚苯乙烯微球中的部分聚苯乙烯材料，使得所述多个聚苯乙烯微球均变为空心球壳，以形成所述散热结构。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还可以包括：
向所述空心球壳中通入导热流体。
10.一种发光二极管外延片的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：
采用如权利要求7～9任一项所述的制造方法制造基底；
在所述基底上依次生长未掺杂的氮化镓层、N型半导体层、多量子阱层、电子阻挡层和P型半导体层。
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