二维材料柔性衬底结构、半导体发光器件及其制作方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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；本发明专利技术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。

Two dimensional material flexible substrate structure, semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof

The present invention provides a two-dimensional flexible substrate structure, semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof, comprising a two-dimensional flexible substrate structure: a support substrate; a two-dimensional material layer is located on the support surface of the substrate; a flexible substrate is positioned in the two-dimensional material surface layer. Two dimensional flexible substrate structure of the invention will be flexible substrate and two-dimensional material layer combination, Van Der Waals bond and two-dimensional flexible substrate material layer interface greatly weakened between the upper and lower atomic attraction, formed at the interface of Van Der Waals strength is far less than the covalent bond, flexible substrate can be completely absorbed and self regulating strain release force, has great absolute flexibility; the semiconductor light emitting device of the two-dimensional flexible substrate based structure, has the advantages of extended wavelength, reduce cost, increase the heat dissipation, improving device life and increase device integration function.

【技术实现步骤摘要】
二维材料柔性衬底结构、半导体发光器件及其制作方法
本专利技术属于半导体
，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。
技术介绍
半导体发光器件包括发光二极管(LightEmittingDiode,LED)和各类半导体激光器(LaserDiode,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In0.22Ga0.78As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InGaSbI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(absolutecompliance)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。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术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，本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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。本专利技术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。作为本专利技术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。作为本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二维材料柔性衬底结构，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种二维材料柔性衬底结构，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的二维材料柔性衬底结构，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的二维材料柔性衬底结构，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的二维材料柔性衬底结构，其特征在于：所述柔性衬底的厚度小于50nm。5.一种二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：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。6.根据权利要求5所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：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。7.根据权利要求5所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：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。8.根据权利要求5所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：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。9.根据权利要求8所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：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。10.根据权利要求5或8所述的二维材料柔性衬底结构的制作方法，其特征在于：形成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庶民，
申请(专利权)人：超晶科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11