二维材料柔性衬底结构、半导体发光器件及其制作方法与流程

本发明属于半导体技术领域，涉及一种二维材料柔性衬底结构、半导体发光器件及其制作方法。

背景技术：

半导体发光器件包括发光二极管(Light Emitting Diode,LED)和各类半导体激光器(Laser Diode,LD)，因其体积小、功耗低、量子转换效率高、寿命长等优点，广泛用于照明、通讯、工业加工、医学和日常生活中的许多领域，其波长范围覆盖紫外、可见光、短波、中波和长波红外，最后到太赫兹波段。商用半导体发光器件因受制于衬底限制，只能在硅、蓝宝石、砷化镓、磷化铟和锑化镓等有限种类衬底上设计器件结构并作外延生长，极大地限制了半导体异质结构能带裁剪工程所提供的便利以及器件设计的最优化。譬如，光纤通讯所用的商用1.3和1.55微米InGaAsP量子阱激光器只能外延生长在磷化铟衬底上，特征温度低，必须采用外部制冷来实现输出激光波长的稳定，如果在砷化镓衬底上实现通讯激光器，可以提高特征温度，实现非制冷激光器，大大降低器件功耗和成本，但目前砷化镓衬底上只有采用InAs量子点或GaInNAs量子阱才能实现通讯波段激光器，而这两种增益材料稳定性不如InGaAs量子阱，后者为商用近红外激光器的增益材料，但激射波长在1.2微米以下。已有报道，采用In_0.22Ga_0.78As衬底生长的1.23微米InGaAs量子阱激光器具有最好的载流子限制，最高特征温度达到140K，并在210℃还能实现激射，而这种商业化衬底至今不存在，要拓展波长到1.3微米，需要使用In浓度更高的InGaAs衬底。又如中波红外激光器在气体探测中有广泛重要的应用，而目前InP基I型量子阱激光器只能实现2.4微米以下激射，GaSb基I型量子阱激光器能达到3.7微米激射。理论上采用InAs量子阱可以实现3微米以上激射，但器件结构需要长在铟含量高于80％的InGaAs虚拟衬底上。同样如果能够实现InGaSb虚拟衬底，那么InGaSb I型量子阱激射波长可以超过4微米。所以高质量虚拟衬底的实现可以大幅提升激光器设计的灵活性和器件性能，同时降低器件成本。

常规的实现虚拟衬底方法主要有(1)异变衬底；(2)柔性衬底。前者采用连续合金或台阶式合金从一种商业衬底过渡到预先设定晶格常数的虚拟衬底，这种异变衬底可以在大尺寸衬底上实现，但位错密度仍然在10⁶cm^-2以上，且表面粗糙，器件性能不均匀，成品率低。柔性衬底概念最早由Y.H.Lo在1991年提出并在许多器件中得到了验证，其主要原理是首先将一层很薄的外延晶体薄膜通过键合转移到另一个支撑衬底上形成一个柔性衬底，在柔性衬底上生长晶格失配的外延层，由于柔性衬底有一定的柔性度，晶格失配产生的应力通过柔性衬底和上面薄膜共同释放。如果柔性衬底厚度小于所生长晶格失配薄膜的临界厚度，那么位错永远不会产生；如果柔性衬底厚度稍大于所生长晶格失配薄膜的临界厚度，那么产生的位错会向下滑移终止在柔性衬底和支撑衬底的界面。柔性衬底键合在支撑衬底上，其界面残余共价键会阻碍柔性衬底内的应力吸纳与释放，不利于实现完全柔性，另外尺寸过大的柔性衬底需要很大的绝对柔性度(absolute compliance)才能实现应力完全释放，否则会产生表面皱褶或其它晶格缺陷，而结合能较强的共价键很难满足绝对柔性度。由于这些原因，尽管柔性衬底已在多种材料体系以及器件中获得成功演示，但至今未实现商用化。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种二维材料柔性衬底结构、半导体发光器件及其制作方法，用于解决现有技术中的柔性衬底无法完全吸收和释放应力的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种二维材料柔性衬底结构，所述二维材料柔性衬底结构包括：支撑衬底；二维材料层，位于所述支撑衬底表面；柔性衬底，位于所述二维材料层表面。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述支撑衬底为半导体衬底、半绝缘体衬底、绝缘体衬底或导热材料衬底。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述二维材料层为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、BN层、MoS₂层或WS₂层。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的一种优选方案，所述柔性衬底的厚度小于50nm。

本发明还提供一种二维材料柔性衬底结构的制作方法，所述二维材料柔性衬底结构的制作方法包括以下步骤：

1)提供一种支撑衬底；

2)在所述支撑衬底的表面形成二维材料层；

3)在所述二维材料层表面形成柔性衬底。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤1)中，所述支撑衬底为半导体衬底、半绝缘体衬底、绝缘体衬底或导热材料衬底。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤2)中，所述二维材料层为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、BN层、MoS₂层或WS₂层。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤3)中，在所述二维材料层表面形成柔性衬底包括以下步骤：

3-1)提供一种生长衬底；

3-2)在所述生长衬底上形成缓冲层；

3-3)在所述缓冲层上形成牺牲层；

3-4)在所述牺牲层上形成柔性衬底材料层；

3-5)将步骤3-4)得到的结构键合至所述二维材料层的表面，所述柔性衬底材料层的表面为键合面；

3-6)将所述柔性衬底材料层与所述牺牲层相分离，将所述柔性衬底材料层转移至所述二维材料层的表面，以形成所述柔性衬底。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，在步骤3-4)与步骤3-5)之间，还包括对所述柔性衬底材料层的表面进行钝化处理的步骤。

作为本发明的二维材料柔性衬底结构的制作方法的一种优选方案，形成的所述柔性衬底的厚度小于50nm。

本发明还提供一种半导体发光器件，所述半导体发光器件包括：上述任一方案中所述的二维材料柔性衬底结构；发光器件材料层，位于所述柔性衬底的表面。

作为本发明的半导体发光器件的一种优选方案，所述发光器件材料层包括：下电极，位于所述柔性衬底的表面；下波导层，位于所述下电极的表面；量子阱层，位于所述下波导层的表面；上波导层，位于所述量子阱层的表面；上电极，位于所述上波导层的表面。

作为本发明的半导体发光器件的一种优选方案，所述发光器件材料层包括：下波导层，位于所述柔性衬底的表面；量子阱层，位于所述下波导层的表面；下电极，位于所述量子阱层一侧的所述下波导层的表面；上波导层，位于所述量子阱层的表面；上电极，位于所述上波导层的表面。

本发明还提供一种半导体发光器件的制作方法，所述半导体发光器件的制作方法包括以下步骤：

1)采用如上述任一种方案中所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法制作所述二维材料柔性衬底结构；

2)在所述柔性衬底表面形成发光器件材料层。

作为本发明的半导体发光器件的制作方法的一种优选方案，在步骤2)中，在所述柔性衬底表面形成发光器件材料层包括以下步骤：

2-1)在所述柔性衬底表面形成下电极；

2-2)在所述下电极表面形成下波导层；

2-3)在所述下波导层表面形成量子阱层；

2-4)在所述量子阱层表面形成上波导层；

2-5)在所述上波导层表面形成上电极。

作为本发明的半导体发光器件的制作方法的一种优选方案，在步骤2)中，在所述柔性衬底表面形成发光器件材料层包括以下步骤：

2-1)在所述柔性衬底表面形成下波导层；

2-2)在所述下波导层表面形成量子阱层；

2-3)在所述量子阱层表面形成上波导层；

2-4)在所述上波导层表面形成上电极；

2-5)刻蚀去除部分所述上电极、部分所述上波导层及部分所述量子阱层以形成开口，所述开口暴露出所述下波导层；

2-6)在所述开口内的所述下波导层表面形成下电极。

如上所述，本发明的二维材料柔性衬底结构、半导体发光器件及其制作方法，具有以下有益效果：本发明的二维材料柔性衬底结构将柔性衬底与二维材料层相结合，柔性衬底与二维材料层界面的范德瓦尔斯键大大削弱了上下原子之间的吸引力，界面处形成的范德瓦尔斯力的强度远远小于共价键键能，柔性衬底可以完全自我调节应变吸纳和释放应力，具有很大的绝对柔性度；本发明的半导体发光器件基于所述二维材料柔性衬底结构，具有拓展波长、降低成本、增加散热、提高器件寿命及增加器件集成功能等优点。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的二维材料柔性衬底结构的结构示意图。

图2显示为本发明实施例二中提供的二维材料柔性衬底结构的制作方法的流程图。

图3至图10显示为本发明实施例二中提供的二维材料柔性衬底结构的制作方法在各步骤中的结构示意图。

图11至图12显示为本发明实施例三中提供的半导体发光器件的结构示意图。

图13显示为本发明实施例四中提供的二维材料柔性衬底结构的制作方法的流程图。

图14至图24显示为本发明实施例四中提供的二维材料柔性衬底结构的制作方法在各步骤中的结构示意图。

元件标号说明

10 支撑衬底

11 二维材料层

12 柔性衬底

13 柔性衬底材料层

14 生长衬底

15 缓冲层

16 牺牲层

17 发光器件材料层

171 下电极

172 下波导层

173 量子阱层

1731 第一量子阱层

1732 第二量子阱层

1733 第三量子阱层

174 上波导层

175 上电极

18 开口

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图24。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1，本发明提供一种二维材料柔性衬底结构，所述二维材料柔性衬底结构包括：支撑衬底10；二维材料层11，所述二维材料层11位于所述支撑衬底10的表面；柔性衬底12，所述柔性衬底12位于所述二维材料层11的表面。

作为示例，所述支撑衬底10可以为半导体衬底、半绝缘体衬底、绝缘体衬底或导热材料衬底。优选地，本实施例中，所述支撑衬底10为Si衬底。

作为示例，所述二维材料层11可以为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、BN层、MoS₂层或WS₂层。优选地，本实施例中，所述二维材料层11为石墨烯层。

作为示例，所述柔性衬底12的晶格常数与要形成于其表面的半导体发光器件材料层的晶格常数相匹配或适配；在示例中，所述柔性衬底12可以为但不仅限于n型InGaAs柔性衬底，更为具体的，所述柔性衬底12可以为n型In_0.27Ga_0.73As柔性衬底或n型In_0.73Ga_0.27As柔性衬底。

作为示例，所述柔性衬底12的厚度可以根据实际需要进行选择，优选地，本实施例中，所述柔性衬底12的厚度小于50nm。

所述二维材料柔性衬底结构将所述柔性衬底12与所述二维材料层11相结合，所述柔性衬底12与所述二维材料层11界面的范德瓦尔斯键大大削弱了上下原子之间的吸引力，界面处形成的范德瓦尔斯力的强度远远小于共价键键能，所述柔性衬底12可以完全自我调节应变吸纳和释放应力，具有很大的绝对柔性度。

实施例二

请参阅图2，本发明还提供一种二维材料柔性衬底结构的制作方法，所述二维材料柔性衬底结构的制作方法包括以下步骤：

1)提供一种支撑衬底；

2)在所述支撑衬底的表面形成二维材料层；

3)在所述二维材料层表面形成柔性衬底。

执行步骤1)，请参阅图2中的S1步骤及图3，提供一种支撑衬底10。

作为示例，所述支撑衬底10可以为半导体衬底、半绝缘体衬底、绝缘体衬底或导热材料衬底。优选地，本实施例中，所述支撑衬底10为Si衬底。

执行步骤2)，请参阅图2中的S2步骤及图4，在所述支撑衬底10的表面形成二维材料层11。

作为示例，所述二维材料层11可以为石墨烯层、硅烯层、锗烯层、BN层、MoS₂层或WS₂层。优选地，本实施例中，所述二维材料层11为石墨烯层。

执行步骤3)，请参阅图2中的S3步骤及图5至图10，在所述二维材料层11表面形成柔性衬底12。

作为示例，在所述二维材料层11表面形成柔性衬底12包括以下步骤：

3-1)提供一种生长衬底14，如图5所示；

3-2)在所述生长衬底14上外延生长缓冲层15，如图6所示；

3-3)在所述缓冲层15上外延生长牺牲层16，如图7所示；所述牺牲层16的材料为可以通过选择性腐蚀或氧化而容易被去除的材料；

3-4)在所述牺牲层16上形成所述柔性衬底材料层13，如图8所示；

3-5)将步骤3-4)得到的结构键合至所述二维材料层11的表面，所述柔性衬底材料层13的表面为键合面，如图9所示；

3-6)通过湿法腐蚀工艺将所述柔性衬底材料层13与所述牺牲层16相分离，将所述柔性衬底材料层13转移至所述二维材料层11的表面，以形成所述柔性衬底12，如图10所示。

作为示例，在步骤3-4)与步骤3-5)之间，还包括对所述柔性衬底材料层13的表面进行钝化处理的步骤。

作为示例，所述柔性衬底12的晶格常数与要形成于其表面的半导体发光器件材料层的晶格常数相匹配或适配。

作为示例，所述柔性衬底12的厚度可以根据实际需要进行选择，优选地，本实施例中，所述柔性衬底12的厚度小于50nm。

在示例中，所述生长衬底14可以为n型GaAs衬底；所述缓冲层15可以为GaAs缓冲层，所述缓冲层15的厚度可以为200nm；所述牺牲层16可以为AlAs牺牲层，所述牺牲层16的厚度可以为100nm；所述柔性衬底材料层13可以为n型In_0.27Ga_0.73As。

在另一示例中，所述生长衬底14可以为n型InP衬底；所述缓冲层15可以为In_0.53Ga_0.47As缓冲层，所述缓冲层15的厚度可以为200nm；所述牺牲层16可以为InP牺牲层，所述牺牲层16的厚度可以为100nm；所述柔性衬底材料层13可以为n型In_0.73Ga_0.27As。

实施例三

请参阅图11及图12，本发明还提供一种半导体发光器件，所述半导体发光器件包括：实施例一中所述的二维材料柔性衬底结构及发光器件材料层17，所述发光器件材料层17位于所述柔性衬底的表面。所述二维材料柔性衬底结构的具体结构请参阅实施例一，此次不再累述。

请参阅图11，在一示例中，所述发光器件材料层包括：下电极171，所述下电极171位于所述柔性衬底12的表面；下波导层172，所述下波导层172位于所述下电极171的表面；量子阱层173，所述量子阱层173位于所述下波导层172的表面，所述量子阱层173包括第一量子阱层1731、第二量子阱层1732及第三量子阱层1733，所述第一量子阱层1731位于所述下波导层172的表面，所述第二量子阱层1732位于所述第一量子阱层1731的表面，所述第三量子阱层1733位于所述第二量子阱层1732的表面；上波导层174，所述上波导层174位于所述第三量子阱层1733的表面；上电极175，所述上电极175位于所述上波导层174的表面。

请参阅图12，在另一示例中，所述发光器件材料层包括：下波导层172，所述下波导层172位于所述柔性衬底12的表面；量子阱层173，所述量子阱层173位于所述下波导层172的表面，所述量子阱层173包括第一量子阱层1731、第二量子阱层1732及第三量子阱层1733，所述第一量子阱层1731位于所述下波导层172的表面，所述第二量子阱层1732位于所述第一量子阱层1731的表面，所述第三量子阱层1733位于所述第二量子阱层1732的表面；下电极171，所述下电极171位于所述量子阱层173一侧的所述下波导层172的表面；上波导层174，所述上波导层174位于所述第三量子阱层1733的表面；上电极175，所述上电极175位于所述上波导层174的表面。

作为示例，所述柔性衬底12可以为n型In_0.27Ga_0.73As柔性衬底，所述柔性衬底12的厚度可以为5nm；所述下电极171可以为n型In_0.27Ga_0.73As下电极，所述下电极171的厚度可以为500nm；所述下波导层172可以为InGaP下波导层，所述下波导层172的厚度可以为1500nm；所述第一量子阱层1731可以为InAlGaAs层，所述第一量子阱层1731的厚度可以为50nm；所述第二量子阱层1732为交替叠层结构，包括交替叠置的In_0.47Ga_0.53As层及InAlGaAs层，所述In_0.47Ga_0.53As层的厚度可以为7nm，所述InAlGaAs层的厚度可以为10nm；所述第三量子阱层1733可以为InAlGaAs层，所述第三量子阱层1733的厚度可以为50nm；所述上波导层174可以为InGaP上波导层，所述上波导层174的厚度可以为1500nm；所述上电极175可以为p型In_0.27Ga_0.73As上电极，所述上电极175的厚度可以为200nm。

作为示例，所述柔性衬底12可以为n型In_0.73Ga_0.27As柔性衬底，所述柔性衬底12的厚度可以为5nm；所述下电极171可以为n型In_0.8Ga_0.2As下电极，所述下电极171的厚度可以为500nm；所述下波导层172可以为In_0.8Al_0.2As下波导层，所述下波导层172的厚度可以为2000nm；所述第一量子阱层1731可以为In_0.8Ga_0.2As层，所述第一量子阱层1731的厚度可以为50nm；所述第二量子阱层1732为交替叠层结构，包括交替叠置的InAs层及In_0.8Ga_0.2As层，所述InAs层的厚度可以为10nm，所述In_0.8Ga_0.2As层的厚度可以为15nm；所述第三量子阱层1733可以为In_0.8Ga_0.2As层，所述第三量子阱层1733的厚度可以为50nm；所述上波导层174可以为In_0.8Al_0.2As上波导层，所述上波导层174的厚度可以为2000nm；所述上电极175可以为p型In_0.8Ga_0.2As上电极，所述上电极175的厚度可以为200nm。

实施例四

请参阅图13，本发明还提供一种半导体发光器件的制作方法，所述半导体发光器件的制作方法包括以下步骤：

1)采用实施例二中所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法制作所述二维材料柔性衬底结构；

2)在所述柔性衬底表面形成发光器件材料层。

执行步骤1)，请参阅图13中的S1步骤，采用实施例二中所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法制作所述二维材料柔性衬底结构。

作为示例，制作所述二维材料柔性衬底结构的具体方法请参阅实施例二，此次不再累述。

执行步骤2)，请参阅图13中的S2步骤及图14至图24，在所述柔性衬底14的表面形成发光器件材料层17。

在一示例中，在所述柔性衬底12表面形成发光器件材料层17包括以下步骤：

2-1)在所述柔性衬底12的表面形成下电极171，如图14所示；

2-2)在所述下电极171的表面形成下波导层172，如图15所示；

2-3)在所述下波导层172的表面形成量子阱层173，所述量子阱层173包括第一量子阱层1731、第二量子阱层1732及第三量子阱层1733，所述第一量子阱层1731位于所述下波导层172的表面，所述第二量子阱层1732位于所述第一量子阱层1731的表面，所述第三量子阱层1733位于所述第二量子阱层1732的表面，即依次在所述下波导层172表面形成所述第一量子阱层1731、所述第二量子阱层1732及所述第三量子阱层1733，如图16所示；

2-4)在所述第三量子阱层1733的表面形成上波导层174，如图17所示；

2-5)在所述上波导层174的表面形成上电极175，如图18所示。

在另一示例中，在所述柔性衬底12表面形成发光器件材料层17包括以下步骤：

2-1)在所述柔性衬底12的表面形成下波导层172，如图19所示；

2-2)在所述下波导层172的表面形成量子阱层173，所述量子阱层173包括第一量子阱层1731、第二量子阱层1732及第三量子阱层1733，所述第一量子阱层1731位于所述下波导层172的表面，所述第二量子阱层1732位于所述第一量子阱层1731的表面，所述第三量子阱层1733位于所述第二量子阱层1732的表面，即依次在所述下波导层172表面形成所述第一量子阱层1731、所述第二量子阱层1732及所述第三量子阱层1733，如图20所示；

2-3)在所述量子阱层173的表面形成上波导层174，如图21所示；

2-4)在所述上波导层174的表面形成上电极175，如图22所示；

2-5)刻蚀去除部分所述上电极175、部分所述上波导层174及部分所述量子阱层173以形成开口18，所述开口18暴露出所述下波导层172，如图23所示；

2-6)在所述开口18内的所述下波导层172的表面形成下电极171，如图24所示。

作为示例，所述柔性衬底12可以为n型In_0.27Ga_0.73As柔性衬底，所述柔性衬底12的厚度可以为5nm；所述下电极171可以为n型In_0.27Ga_0.73As下电极，所述下电极171的厚度可以为500nm；所述下波导层172可以为InGaP下波导层，所述下波导层172的厚度可以为1500nm；所述第一量子阱层1731可以为InAlGaAs层，所述第一量子阱层1731的厚度可以为50nm；所述第二量子阱层1732为交替叠层结构，包括交替叠置的In_0.47Ga_0.53As层及InAlGaAs层，所述In_0.47Ga_0.53As层的厚度可以为7nm，所述InAlGaAs层的厚度可以为10nm；所述第三量子阱层1733可以为InAlGaAs层，所述第三量子阱层1733的厚度可以为50nm；所述上波导层174可以为InGaP上波导层，所述上波导层174的厚度可以为1500nm；所述上电极175可以为p型In_0.27Ga_0.73As上电极，所述上电极175的厚度可以为200nm。

作为示例，所述柔性衬底12可以为n型In_0.73Ga_0.27As柔性衬底，所述柔性衬底12的厚度可以为5nm；所述下电极171可以为n型In_0.8Ga_0.2As下电极，所述下电极171的厚度可以为500nm；所述下波导层172可以为In_0.8Al_0.2As下波导层，所述下波导层172的厚度可以为2000nm；所述第一量子阱层1731可以为In_0.8Ga_0.2As层，所述第一量子阱层1731的厚度可以为50nm；所述第二量子阱层1732为交替叠层结构，包括交替叠置的InAs层及In_0.8Ga_0.2As层，所述InAs层的厚度可以为10nm，所述In_0.8Ga_0.2As层的厚度可以为15nm；所述第三量子阱层1733可以为In_0.8Ga_0.2As层，所述第三量子阱层1733的厚度可以为50nm；所述上波导层174可以为In_0.8Al_0.2As上波导层，所述上波导层174的厚度可以为2000nm；所述上电极175可以为p型In_0.8Ga_0.2As上电极，所述上电极175的厚度可以为200nm。

综上所述，本发明提供一种二维材料柔性衬底结构、半导体发光器件及其制作方法，所述二维材料柔性衬底结构包括：支撑衬底；二维材料层，位于所述支撑衬底表面；柔性衬底，位于所述二维材料层表面。本发明的二维材料柔性衬底结构将柔性衬底与二维材料层相结合，柔性衬底与二维材料层界面的范德瓦尔斯键大大削弱了上下原子之间的吸引力，界面处形成的范德瓦尔斯力的强度远远小于共价键键能，柔性衬底可以完全自我调节应变吸纳和释放应力，具有很大的绝对柔性度；本发明的半导体发光器件基于所述二维材料柔性衬底结构，具有拓展波长、降低成本、增加散热、提高器件寿命及增加器件集成功能等优点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。