CN103236476B - 一种生长外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生长外延片的制备方法，包括步骤：在100nm的N型铝镓氮生长时，获取第一温度，所述第一温度为N型铝镓氮的生长温度；计算温差，将有源层生长温度调整为第二温度，所述第二温度为正常生长的炉次标准温度设定的原有源层生长温度与温差的和；升高温度至710℃-820℃，生长掺铟的氮化镓阱层，升高温度至850℃-1000℃生长掺杂氮化镓垒层，形成有源层。本发明监控N型铝镓氮生长时的基底表面温度，分析出调整波长的幅度，调整有源层的温度，从而达到控制波长的目的，提高芯片波长的良率。
Description
技术领域
本发明涉及LED芯片制备领域，特别地，涉及一种生长外延片及其制备方法。
背景技术
随着LED行业的迅猛发展，市场对于LED芯片的要求也随之提高，除了各项电性参数外，波长的集中度成为客户重视的首要参数。波长控制的良率是目前的技术难题，波长控制不好导致产品报废率偏高、生产成本升高等问题。
目前常用的调整波长的方法是：监控本炉次有源层温度情况，通过机台波长与有源层温度对应关系来调整波长，从而达到控制波长良率的目的。例如：基础炉次的波长正常，则以基础炉次的有源层温度为中心波长的标准温度。
但由于衬底表面的规格和粗糙度对有源层温度的监控有一定的影响，容易使得有源层的温度监控造成偏差，就必然会影响到有源层波长的调整效果，导致调整波长时也出现偏差，波长良率的稳定性则出现波动。所以如何调整波长，控制波长良率的稳定性技术越来越受到人们的关注。
发明内容
本发明目的在于提供一种生长外延片的制备方法，以解决芯片波长的控制良率过低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种生长外延片的制备方法，包括步骤：
在100nm的N型铝镓氮生长时，获取第一温度，所述第一温度为N型铝镓氮的本炉次生长温度；
计算温差，所述温差为所述第一温度与上炉次的N型铝镓氮生长温度的差值的一半；
将有源层生长温度调整为第二温度，所述第二温度为正常生长的炉次标准温度与温差的和；
升高温度至710℃-820℃，生长掺铟的氮化镓阱层，升高温度至850℃-1000℃生长掺杂氮化镓垒层，形成有源层。
优选的，在步骤D之后包括：
完成有源层的生长后，温度调节到950℃，持续生长0.2-0.4μm的P型氮化镓层。
优选的，在步骤A之前包括：
a、以高纯的H2作为载气，在压力为100Torr，1050℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底10分钟。
优选的，采用温度监控系统获取第一温度。
优选的，温度监控系统是RT探测头。
优选的，在步骤a后，步骤A之前包括：
将温度降至550℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为35nm的低温缓冲氮化镓层，并进一步将温度升高至1000℃，持续生长2.0μm的无掺杂氮化镓层；
将温度升高至1050℃，持续生长2.0μm的N型氮化镓层，形成N型氮化镓层；
将温度降到1000℃，生长100nm的N型铝镓氮。
优选的，当生长有源层时，温度控制方式为监测外延片表面温度的控温方式。
优选的，自下而上结构依次为衬底、不掺杂氮化镓层、第一N型氮化镓层、N型铝镓氮、第二N型氮化镓层、有源层、P型氮镓层。
优选的，N型铝镓氮生长在N型氮化镓层中间。
本发明具有以下有益效果：本发明监控N型铝镓氮生长时的基底表面温度，分析出调整波长的幅度，调整有源层的温度，从而达到控制波长的目的；增加了控制波长的稳定性，提高了外延片的波长良率。
根据基尔霍夫定律：在给定温度下，对于给定波长，所有物体的辐射率与吸收率的比值相同；
ε=α(ε为辐射率，α为吸收率)①
ε辐射率与衬底的材质和表面状况有关；
能量守恒定律：由于Al3O2衬底是非透明的衬底；
R+α=1(R反射率)②
依据②和③得：ε=1-R③
依据普朗克公式得：Ttarget=(c2/λpyro)/Ln(1+εtargetcpyro/Etarget)④
依据③和④得：RT(T)=(c2/λpyro)/Ln[1+(1-R)cpyro/Etarget]⑤
机台控温方式有两种：Pyrometer控温和RT控温。Pyrometer控温方式：通过susceptor（大盘）表面的温度来控制反应式的温度，即：设定温度=susceptor表面温度。RT控温方式:通过wafer（衬底）表面的温度来控制反应式的温度，即：设定温度=RT(T)。
两种控温方式wafer表面的温度均是由RT探测头监控得到，即：RT(T)。RT（T）监控温度原理：RT探测头从光感二极管得到Wafer表面的光信号后，将其发送至信号中转站，并由上述公式⑤计算出温度。
当衬底表面状况发生改变时，例如衬底表面变粗糙，则反射率R会减少，在设定温度相同条件下，依据⑤推断出RT(T)会降低，即wafer表面温度会降低，由于无掺杂氮化镓、N型铝镓氮和N型氮化镓是Pyrometer控温，所以底部上述层的wafer表面温度会随着反射率R的下降而相应降低；衬底表面越平整，底部上述层的wafer表面温度会升高。
当N型铝镓氮层设定温度相同，衬底表面越平整，反射率R越大，RT温控系统监控到温度（wafer表面温度）升高，有源层需要得到相同波长，温度亦需要升高。
当生长有源层切换至RT控温时，RT(T)外延片表面达到的温度=程序设定温度，当生长炉次和基础炉次使用的衬底的表面相同,则反射率R亦相同，如果基础炉次的波长正常，则生长炉次的波长正常。R变大时，有源层需升高温度来达到相同波长，而生长有源层时设定温度未改变，设定温度相对此时情况下需要外延片表面的温度偏低，如果在未改变有源层设定温度的情况下，该炉次波长会比基础炉次的波长偏长；反之R变小时，RT温度（wafer表面温度）会降低，有源层需要得到相同波长的温度亦需要降低，在未改变有源层设定温度的情况下，其炉次波长会比基础炉次偏短。
基于以上原理，则可通过监控生长在有源层前面的N型铝镓氮温度，来判断该炉次温度状况，并且通过N型铝镓氮温度状况与波长关系来提前准确的调整外延片的波长。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术调整有源层温度波长良率的结果示意图；
图2是本发明优选实施例的调整有源层温度波长良率的结果示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
以VeecoK465I机台为例子来进行实施，具体的做法如下：
运用VeecoK465IMOCVD机台在蓝宝石衬底上生长LED结构外延片，具体步骤如下：
（1）以高纯的H2作为载气，在压力为100Torr，1050℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底共10分钟；
（2）将温度降至550℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为35nm的低温缓冲氮化镓层，并进一步将温度升高至1000℃，持续生长2.0μm的无掺杂氮化镓层；
（3）将温度升高至1050℃，持续生长2.0μm的N型氮化镓层，形成N型氮化镓层；
（4）将温度降到1000℃，生长100nm的N型铝镓氮。
I、生长N型铝镓氮，在温控系统中读出此时生长的N型铝镓氮的温度。
II、依照之前的数据建立N型铝镓氮温度与波长以及需要调整幅度的关系
现有方法是根据有源层的温度决定波长。参见下表，以需要455nm的波长为例，炉次一的波长在该温度下是正常的。但是从表1中可以看出，炉次二在有源层温度相同的情况下，其波长没有达到要求，内、中、外三圈波长分别长6nm、5.9nm、6nm。因此，仅仅依据有源层温度不能准确控制产品波长。
表1波长与温度对照表
本发明涉及到的就是炉次二波长调整的方法。具体说来，即根据N型铝镓氮层的温度来决定调整有源层的温度幅度，从而达到调整波长目的。在有源层稳定情况下，有源层温度与波长对应关系是：有源层升高1℃，其波长就短2nm左右，反之亦然。所以炉次二需要其波长正常有源层都需要升高温度3℃、2.95℃、3℃。依照上表，炉次二内、中、外三圈的N型铝镓氮生长温度比炉次一的温度分别高出5.9℃、5.9℃、6℃；其温差除以2恰好是我们有源层需要调整的温度。
因此，依照上表提供的数据可以建立关系式：有源层需要调整温度=△N型铝镓氮温度/2，即温差为所述第一温度与上炉次的N型铝镓氮生长温度的差值的一半。
III、通过监控到N型铝镓氮的温度，计算出N型铝镓氮的温度的温差，依照上面关系式准确计算出有源层需要调整的第二温度：第二温度为正常生长的炉次标准温度与温差的和。
IV、将有源层需要调整的温度，在程序里面进行修改，将修改后的结果保存到程序里面。
V、让MOCVD机台重新按修改后的程序运行。
（5）升高温度至710℃-820℃，生长掺铟的氮化镓阱层，升高温度至850℃-1000℃生长掺杂氮化镓垒层，形成有源层；
（6）在完成有源层的生长后，将温度升高到950℃持续生长0.2-0.4um的P型氮化镓层；
（7）将所有的外延片用镭射光谱仪进行测量；测量波长情况。
对比例
按照实施例中提供的后续步骤同一MOCVD机台生长2炉的外延片，在N型铝镓氮监控的温度与基础炉次的N型铝镓氮监控的温度发生变化时，一炉采用现有技术方法保持有源层温度与基础炉次有源层温度一致，另外一炉按照本发明方法对有源层的温度进行实时调整。其波长调控结果如图1和图2所示：图1为现有技术调整有源层温度波长良率的结果示意图；图2是本发明优选实施例的调整有源层温度波长良率的结果示意图。
图中以450nm为波长下限，460nm为波长上限，455nm为波长中心；从图中可以看出，本发明方法所生产出的产品波长基本在波长中心周围波动，5nm良率为77.78%，10nm良率为100%；而现有技术中，5nm良率为0，10nm良率为13.3%，本发明方法大为提高了产品良率。
本发明还公开了一种根据上述制备方法制得的机型生长外延片，自下而上结构依次为衬底、不掺杂氮化镓层、第一N型氮化镓层、N型铝镓氮、第二N型氮化镓层、有源层、P型氮镓层。即N型铝镓氮生长在N型氮化镓层中间，将N型氮化镓层分做了两层。在产品生产时，两层生长利于作业员监控N型铝镓氮的温度，有充足的时间来调整波长；从而进一步保证产品波长良率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)
1.一种生长外延片的制备方法，其特征在于，包括步骤：
A、在100nm的N型铝镓氮生长时，获取第一温度，所述第一温度为N型铝镓氮的本炉次生长温度；
B、计算温差，所述温差为所述第一温度与上炉次的N型铝镓氮生长温度的差值的一半；
C、将本炉次有源层生长温度调整为第二温度，所述第二温度为正常生长的炉次标准温度与温差的和；
D、升高温度至710℃-820℃，生长掺铟的氮化镓阱层，升高温度至850℃-1000℃生长掺杂氮化镓垒层，形成有源层。
2.根据权利要求1所述的一种生长外延片的制备方法，其特征在于，在步骤D之后包括：
完成有源层的生长后，温度调节到950℃，持续生长0.2-0.4μm的P型氮化镓层。
3.根据权利要求2所述的一种生长外延片的制备方法，其特征在于，在步骤A之前包括：
a、以高纯的H2作为载气，在压力为100Torr，1050℃的氢气气氛下高温处理蓝宝石衬底10分钟。
4.根据权利要求1所述的一种生长外延片的制备方法，其特征在于，采用温度监控系统获取第一温度。
5.根据权利要求4所述的一种生长外延片的制备方法，其特征在于，温度监控系统是RT探测头。
6.根据权利要求3至5任一项所述的一种生长外延片的制备方法，其特征在于，在步骤a后，步骤A之前包括：
将温度降至550℃，在蓝宝石衬底上生长厚度为35nm的低温缓冲氮化镓层，并进一步将温度升高至1000℃，持续生长2.0μm的无掺杂氮化镓层；
将温度升高至1050℃，持续生长2.0μm的N型氮化镓层，形成N型氮化镓层；
将温度降到1000℃，生长100nm的N型铝镓氮。
7.根据权利要求3至5任一项所述的一种生长外延片的制备方法，其特征在于，当生长有源层时，温度控制方式为监测外延片表面温度的控温方式。
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