生长在硅/石墨烯复合衬底上的GaN基纳米柱LED外延片及其制备方法与流程

文档序号:15940829发布日期:2018-11-14 03:07阅读:140来源:国知局

本发明涉及led外延片领域,特别涉及生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan基纳米柱led外延片及其制备方法。

背景技术

发光二极管(led)作为一种新型的固态照明光源和绿色光源,具有节能、环保、体积小、用途广泛和使用寿命长等突出特点,在室外照明、商业照明以及军事照明等领域都具有广泛的应用。当前,在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下,节约能源、减少温室气体排放成为全世界面临的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济,是经济发展的重要方向。在照明领域,led作为一种新型的绿色固态照明产品,是未来发展的趋势。但是现阶段led要向高效节能环保的方向发展,其发光效率仍有待于进一步提高。

gan及iii-族氮化物由于宽禁带、稳定的物理化学性质、高的热导率和高的电子饱和速度等优点,广泛应用于发光二极管(led)、激光器和光电子器件等方面。与其他宽禁带半导体材料相比,gan材料除具有上述优点外,其纳米级的材料在量子效应、界面效应、体积效应、尺寸效应等方面还表现出更多新颖的特性。

si衬底因其具有晶圆尺寸大、成本低廉、易剥离等优点,成为全球led供应商积极投入研发的衬底材料之一。不过,目前在si衬底上制备gan薄膜的质量不如蓝宝石衬底上制备的gan单晶薄膜,主要有以下原因:首先,si与gan的晶格失配度很大(-16.9%),会使gan外延层出现大量的位错;其次,si的热膨胀系数为2.59×10-6k-1,与gan热失配高达54%,这样会导致在外延膜中产生巨大的张应力,从而更容易引起外延膜的龟裂。因此迫切寻找一种合适的方法以在si衬底上生长出高质量的gan外延层。

gan纳米材料因“尺寸效应”产生了一系列新颖特性,使得它在基本物理科学和新型技术应用方面有着巨大的前景,已成为当前研究的热点。而gan纳米柱结构更是在制备纳米范围发光器件led上表现出了更加优异的性能。

与此同时,石墨烯具有非常好的热传导性能,纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300w/mk,是目前为止导热系数最高的碳材料。此外,石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性,因此,在si衬底上复合石墨烯作为生长衬底,进行ingan/gan多量子阱纳米柱的生长,有助于进一步扩展氮化物纳米柱的应用前景。



技术实现要素:

为了克服现有技术的上述缺点与不足,本发明的目的在于提供生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan基纳米柱led外延片及其制备方法,该方法具有生长工艺简单,制备成本低廉的优点,且制备的led外延片具有缺陷密度低、结晶质量好,发光性能优良的优点。同时,通过调节工艺参数在硅/石墨烯复合衬底上生长出不同直径的纳米柱,在该生长了gan纳米柱的硅/石墨烯复合衬底上制备的led外延片发出不同颜色的光,可用于制备芯片级封装白光led。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan基纳米柱led外延片,包括硅/石墨烯复合衬底10、生长在硅/石墨烯复合衬底上的非掺杂gan纳米柱11、生长在非掺杂gan纳米柱上的n型掺杂gan层12、生长在n型掺杂gan层上的ingan/gan量子阱13和生长在ingan/gan量子阱上的p型掺杂gan层14。

优选的,所述非掺杂gan纳米柱的高度为300~900nm,直径为30~100nm,为接下来外延生长高质量n型掺杂gan层奠定基础。

优选的,所述n型掺杂gan层的高度为1~3μm;所述n型掺杂gan层掺杂电子浓度为1.0×1017~5.0×1019cm-3

优选的,所述ingan/gan量子阱为7~10个周期的ingan阱层/gan垒层,其中ingan阱层的高度为2~3nm,gan垒层的高度为10~13nm。

优选的,所述p型掺杂gan层的高度为300~350nm;所述p型掺杂gan层掺杂空穴浓度为1.0×1016~2.0×1018cm-3

以上所述的生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan基纳米柱led外延片的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底选取:采用普通si衬底;

(2)衬底清洗:将si衬底放入hf和水混合溶液中超声去除si衬底表面氧化物和粘污颗粒,然后放入水中超声去除表面杂质,再吹干;

(3)硅/石墨烯复合衬底的制备:直接在si衬底上生长石墨烯,或者将生长在铜箔上的石墨烯转移到si衬底上得到硅/石墨烯复合衬底;

(4)in滴的沉积:采用分子束外延生长工艺,衬底温度控制在550~650℃,在反应室的压力为(5.0~6.0)×10-5pa条件下,在硅/石墨烯复合衬底上沉积in并退火形成in滴;

(5)非掺杂gan纳米柱的生长:采用分子束外延生长工艺,衬底温度控制在300~900℃,在反应室的压力为(5.0~6.0)×10-5pa,衬底转速为5~10转/分钟,v/iii比值为30~40、生长速度为0.4~0.6ml/s条件下,在步骤(4)得到的沉积了in滴的硅/石墨烯复合衬底上生长非掺杂的gan纳米柱;

(6)n型掺杂gan层的生长:采用分子束外延生长工艺,将衬底温度控制在650~750℃,在反应室压力为5.0~6.0×10-5pa、v/iii比值为40~50、生长速度为0.6~0.8ml/s条件下,在步骤(5)得到的非掺杂gan纳米柱上生长n型掺杂gan层;

(7)ingan/gan量子阱的外延生长:采用分子束外延生长工艺,生长温度为750~850℃,在反应室的压力为4.0~5.0×10-5pa、v/iii比值为30~40、生长速度为0.4~0.6ml/s条件下,在步骤(6)得到的n型掺杂gan层上生长ingan/gan量子阱;

(8)p型掺杂gan层的外延生长:采用分子束外延生长工艺,将衬底温度调至650~750℃,反应室的压力为5.0~6.0×10-5pa、v/iii比值为30~40、生长速度为0.6~0.8ml/s条件下,在步骤(7)得到的ingan/gan量子阱上生长p型掺杂gan层,得生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan基纳米柱led外延片。

优选的,步骤(1)所述si衬底为普通商用的si衬底。

优选的,步骤(2)中是将si衬底放入体积比为1:20的hf和水混合溶液中超声1~2分钟,去除si衬底表面氧化物和粘污颗粒,再放入水中超声1~2分钟,去除表面杂质,用高纯干燥氮气吹干。

优选的,步骤(3)所述直接在si衬底上生长石墨烯包括以下步骤:

将经过步骤(2)处理后的si衬底置于气相沉积设备(cvd)中,进行石墨烯的生长,形成硅/石墨烯复合衬底;其中,生长的石墨烯层数为单层或者多层。

优选的,步骤(3)所述将生长在铜箔上的石墨烯转移到si衬底上包括以下步骤:

裁剪在铜箔上生长好的石墨烯,然后浸泡于氯化铁溶液中去除铜箔,再将获得的石墨烯层转移到si衬底上,形成硅/石墨烯复合衬底;其中,转移的石墨烯为单层或者多层。

优选的,步骤(4)所述退火的温度为550~650℃,为接下来非掺杂的gan纳米柱的形核和生长奠定基础,并避免高能量的氮等离子体直接作用于石墨烯,降低对石墨烯造成损伤。

与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:

(1)本发明使用硅/石墨烯复合衬底作为生长衬底,采用分子束外延技术先在硅/石墨烯复合衬底上沉积in并退火形成in滴,有利于非掺杂gan纳米柱初期的形核与生长,解决了在si衬底上难以直接生长gan纳米柱的技术难题;同时避免高能量的氮等离子体直接作用于石墨烯,降低对石墨烯造成损伤。

(2)通过控制退火工艺参数可以获得不同尺寸的in滴,为下一步生长出不同高度和直径的、高质量低缺陷的非掺杂gan纳米柱做铺垫,有利于提高载流子的辐射复合效率,可大幅度提高氮化物器件的发光效率,有望制备出高效led的器件。

(3)本发明使用硅/石墨烯复合衬底作为生长衬底,采用分子束外延技术在硅/石墨烯复合衬底上生长非掺杂的gan纳米柱,解决了gan因与si之间存在较大晶格失配而在其中产生大量位错的技术难题,大大减少了ingan/gan层的缺陷密度,有利提高了载流子的辐射复合效率,可大幅度提高氮化物器件如半导体激光器、发光二极管的发光效率。

(4)本发明使用硅/石墨烯复合衬底作为生长衬底,可通过调节工艺参数在硅/石墨烯复合衬底上生长出不同高度和直径的gan纳米柱,使生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan纳米柱led外延片发出所需波长的光,可达到不采用荧光粉获得特定发光波长的led。

(5)本发明的生长工艺独特而简单易行,具有可重复性。

(6)本发明采用硅/石墨烯复合衬底,硅/石墨烯复合衬底具有容易去除的优点,在去除硅/石墨烯复合衬底后的gan纳米柱led外延片上制作n型电极,有利于制备垂直结构的led。

(7)si衬底有抗辐射、热导率高、耐高温、化学性质较稳定、强度较高等优点,具有很高的可靠性,基于硅/石墨烯复合衬底的gan纳米柱led可广泛应用于高温器件。

附图说明

图1是实施例1制备的led外延片的截面示意图。

图2是实施例1制备的led外延片的电致发光(el)图谱。

具体实施方式

下面结合实施例,对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan纳米柱led外延片的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底以及其晶向的选取:采用普通si衬底,晶向为(111);

(2)衬底清洗:将si衬底放入体积比为1:20的hf和去离子水混合溶液中超声2分钟,去除si衬底表面氧化物和粘污颗粒,再放入去离子水中超声2分钟,去除表面杂质,用高纯干燥氮气吹干;

(3)硅/石墨烯复合衬底的制备:将在铜箔上生长好的3层石墨烯裁剪成1×1cm大小,在浓度为1.2mol/l的氯化铁溶液中浸泡去除铜箔,将获得的石墨烯层转移到si衬底上,其转移步骤为用镊子夹住硅衬底一侧,之后按照~45°角将硅衬底插入盛有石墨烯的的超纯水中,将石墨烯驱赶至容器边缘,利用范德华力将石墨烯迅速提出水面,形成硅/石墨烯复合衬底;。

(4)in滴的沉积:采用分子束外延生长工艺,衬底温度调为600℃,在反应室的压力为5.0×10-5pa、生长速度为0.2ml/s的条件下,在硅/石墨烯复合衬底上沉积in层,沉积时间为3分钟,并在600℃温度下退火100秒,形成in滴;

(5)非掺杂gan纳米柱的生长:采用分子束外延生长工艺,衬底温度控制在600℃,在反应室的压力为5.0×10-5pa,衬底转速为5转/分钟,v/iii比值为40、生长速度为0.4ml/s条件下,在步骤(4)得到的沉积了in滴的硅/石墨烯复合衬底上生长高度为355nm,直径为60nm的非掺杂的gan纳米柱;

(6)n型掺杂gan层的生长:采用分子束外延生长工艺,将衬底温度控制在650℃,在反应室压力为5.0×10-5pa、v/iii比值为50、生长速度为0.8ml/s条件下,在步骤(5)得到的非掺杂gan纳米柱上生长高度为1μm的n型掺杂gan层,掺杂电子浓度为5.0×1018cm-3

(7)ingan/gan多量子阱的外延生长:采用分子束外延生长工艺,生长温度为750℃,在反应室的压力为5.0×10-5pa、v/iii比值为30、生长速度为0.4ml/s条件下,在步骤(6)得到的n型掺杂gan层上生长ingan/gan多量子阱;所述ingan/gan多量子阱为7个周期的ingan阱层/gan垒层,其中ingan阱层的高度为2nm,gan垒层的高度为10nm;

(8)p型掺杂gan薄膜的外延生长:采用分子束外延生长工艺,衬底温度为650℃,在反应室的压力为5.0×10-5pa、v/iii比值为30、生长速度为0.6ml/s条件下,在步骤(7)得到的ingan/gan多量子阱上生长的高度为300nm的p型掺杂gan层,掺杂空穴浓度为1.0×1017cm-3,获得生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan基纳米柱led外延片。

如图1所示,本实施例制备的生长在玻璃衬底上的led外延片,包括生长在硅/石墨烯复合衬底10上的非掺杂gan纳米柱11,生长在非掺杂gan纳米柱上的n型掺杂gan层12,生长在n型掺杂gan层12上的ingan/gan量子阱13,生长在ingan/gan量子阱13上的p型掺杂gan层14。

图2是本发明制备出的led外延片的el图谱,其电致发光峰为455.6nm,半峰宽为22.2nm,达到目前照明要求水平,显示出了本发明制备的led器件优异的电学性能。

实施例2

本实施例的生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan纳米柱led外延片的制备方法,包括以下步骤:

(1)衬底以及其晶向的选取:采用普通si衬底,晶向为(111);

(2)衬底清洗:将si衬底放入体积比为1:20的hf和去离子水混合溶液中超声2分钟,去除硅衬底表面氧化物和粘污颗粒,再放入去离子水中超声1分钟,去除表面杂质,用高纯干燥氮气吹干;

(3)硅/石墨烯复合衬底的制备:将si衬底置于气相沉积设备(cvd)中,进行石墨烯的生长,采用甲烷作为碳源,甲烷流量为1sccm,氢气为载气(体积流量为10cm3/min),生长温度为800℃,生长时间为10分钟,生长出层数为5层的石墨烯层,形成硅/石墨烯复合衬底;

(4)in滴的沉积:采用分子束外延生长工艺,衬底温度调为550℃,在反应室的压力为5.0×10-5pa、生长速度为0.2ml/s的条件下,在硅/石墨烯复合衬底上沉积in层,沉积时间为5分钟,并在600℃下退火120秒,形成in滴;

(5)非掺杂gan纳米柱的生长:采用分子束外延生长工艺,衬底温度控制在550℃,在反应室的压力为5.0×10-5pa,衬底转速为10转/分钟,v/iii比值为40、生长速度为0.6ml/s条件下,在步骤(4)得到的沉积了in滴的si衬底上生长高度为500nm,直径为65nm的非掺杂的gan纳米柱;

(6)n型掺杂gan层的生长:采用分子束外延生长工艺,将衬底温度控制在650℃,在反应室压力为5.0×10-5pa、v/iii比值为50、生长速度为0.8ml/s条件下,在步骤(5)得到的非掺杂gan纳米柱上生长高度为2μm的n型掺杂gan层,掺杂电子浓度为5.0×1018cm-3

(7)ingan/gan多量子阱的外延生长:采用分子束外延生长工艺,生长温度为850℃,在反应室的压力为5.0×10-5pa、v/iii比值为40、生长速度为0.6ml/s条件下,在步骤(6)得到的n型掺杂gan层上生长ingan/gan多量子阱;所述ingan/gan量子阱为7个周期的ingan阱层/gan垒层,其中ingan阱层的高度为2nm,gan垒层的高度为10nm;

(8)p型掺杂gan薄膜的外延生长:采用分子束外延生长工艺,衬底温度为750℃,在反应室的压力为5.0×10-5pa、v/iii比值为30、生长速度为0.6ml/s条件下,在步骤(7)得到的ingan/gan多量子阱上生长的高度为300nm的p型掺杂gan层,掺杂空穴浓度为1.0×1017cm-3,得生长在硅/石墨烯复合衬底上的gan基纳米柱led外延片。

本实施例制备的硅/石墨烯复合衬底上的gan纳米柱led外延片无论是在电学性质、光学性质上,还是在缺陷密度、结晶质量都具有非常好的性能,测试数据与实施例1相近,在此不再赘述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

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