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技术

本发明专利技术公开了生长在硅/石墨烯复合衬底上的GaN基纳米柱LED外延片及其制备方法，包括生长在硅/石墨烯复合衬底上的非掺杂GaN纳米柱，生长在非掺杂GaN纳米柱上的n型掺杂GaN层，长在n型掺杂GaN层上的InGaN/GaN量子阱，生长在InGaN/GaN量子阱上的p型掺杂GaN层。本发明专利技术的制备方法具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的LED外延片缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术使用硅/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，解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.生长在硅/石墨烯复合衬底上的GaN基纳米柱LED外延片，其特征在于，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)。

【技术特征摘要】
1.生长在硅/石墨烯复合衬底上的GaN基纳米柱LED外延片，其特征在于，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)。2.根据权利要求1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，其特征在于，所述非掺杂GaN纳米柱的高度为300～900nm，直径为30～100nm。3.根据权利要求1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，其特征在于，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。4.根据权利要求1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，其特征在于，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。5.根据权利要求1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，其特征在于，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。6.制备权利要求1-5任一项所述的生长在硅/石墨烯复合衬底上的GaN基纳米柱LED外延片的方法，其特征在于，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～...

【专利技术属性】
技术研发人员：高芳亮，李国强，张曙光，徐珍珠，余粤锋，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44