一种基于石墨烯蓝宝石衬底的高光效LED芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯蓝宝石衬底的高光效LED芯片。该LED外延片的制备包括：在石墨烯蓝宝石衬底上依次生长AlN、u‑GaN、n‑GaN、多量子阱和p‑GaN薄膜。本发明专利技术提供了一种在石墨烯‑蓝宝石衬底上生长得到的LED芯片。基于石墨烯非常好的热导率和应力释放作用，以及表现为范德华外延生长的薄膜沉积过程，可大大降低GaN薄膜中的应力和位错密度，使得制成的LED芯片发光效率可以提高20‑50％，且可以避免使用过程中的过热问题，利于大功率LED芯片的制造，对于基于AlN/GaN的半导体器件的制造具有重大意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯蓝宝石衬底的高光效LED芯片
本专利技术属于LED领域，具体涉及一种基于石墨烯蓝宝石衬底的高光效LED芯片。
技术介绍
石墨烯是碳原子以sp2杂化键连形成的六角蜂窝状二维原子晶体。它具有非常好的导热性、优异的导电性等独特性能。同时，在以石墨烯为衬底的范德华外延生长结构中，石墨烯还能起到应力弛豫的作用，可以获得缺陷更少品质更好的外延薄膜。以上优点使得石墨烯在微电子、信息技术等领域具有巨大应用潜能。氮化镓(GaN)是一种具有宽直接带隙的Ⅲ-Ⅴ半导体，具有高热导率、高机械强度、高化学稳定性和强抗辐照能力等性质，在光电子、高温大功率器件和高频宽带通讯器件应用方面有着广阔的前景。另外，氮化镓还可以与氮化镓(AlN)氮化铟(InN)混合形成三元或四元化合物，并进一步制备得到蓝光LED器件。就LED器件的生产而言，目前工业上采用的是用异质外延(以蓝宝石和碳化硅作为衬底)技术两步法生长GaN薄膜，即先低温生长多晶GaN作为缓冲层，再高温外延生长单晶u-GaN,n-GaN，之后进一步生长量子阱、p-GaN等结构来获得蓝光LED器件。然而传统方法中，由于碳化硅或蓝宝石衬底晶格结构以及热膨胀系数与氮化镓存在一定差异，由此产生的应力在生长外延过程中不能得到充分释放，从而导致制备得到的单晶氮化镓薄膜缺陷很多，并影响器件性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯蓝宝石衬底的高光效LED芯片。本专利技术要求保护一种LED基外延片，该LED基外延片由下至上依次包括：石墨烯蓝宝石衬底、AlN、u-GaN、n-GaN、多量子阱和p-GaN薄膜。上述LED基外延片也可只由所述石墨烯蓝宝石衬底、AlN、u-GaN、n-GaN、多量子阱和p-GaN薄膜组成。所述石墨烯蓝宝石衬底中，蓝宝石衬底为平板蓝宝石衬底或图形化蓝宝石衬底；AlN薄膜的厚度为0.5-2.0μm；u-GaN薄膜的厚度为1-2.5μm；n-GaN薄膜的厚度为1-5μm，具体可为2μm；多量子阱薄膜为3-10对InGaN/GaN量子阱薄膜或4-10对InGaN/GaN量子阱薄膜或9对InGaN/GaN量子阱薄膜；每对InGaN/GaN量子阱薄膜中，InGaN层的厚度具体为3nm，GaN层的厚度具体为15nm；p-GaN薄膜的厚度为50-200nm或100nm。本专利技术还要求保护一种LED芯片，该LED芯片包括前述本专利技术提供的LED基外延片。该LED芯片的制备方法可包括：将前述本专利技术提供的LED基外延片按照常规方法进行蒸镀电极，划片，封装，即得到LED芯片。本专利技术还要求保护一种LED器件，该LED器件包括前述本专利技术提供的LED芯片。本专利技术提供的利用石墨烯蓝宝石衬底制备LED基外延片的方法，包括：在石墨烯蓝宝石衬底上依次生长AlN、u-GaN、n-GaN、多量子阱和p-GaN薄膜。上述方法中，所述石墨烯蓝宝石衬底中，蓝宝石衬底为平面蓝宝石衬底或图形化蓝宝石衬底；所述图形化蓝宝石衬底可为按照各种常规方法将平面蓝宝石衬底进行图形化而得的衬底。所述生长步骤中，生长方法选自金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延、氢化物气相外延和溅射法中的至少一种。具体的，用金属有机化学气相沉积方法生长AlN薄膜的条件包括：衬底温度为600℃-1400℃，具体可为1200℃；沉积压强为30-100torr，具体可为50torr；载气为惰性气体或氮气；生长时间为0.5h-2h，具体可为1h；TMAl的流量为50-120sccm；H2的流量为0-20000sccm，具体可为15400sccm；NH3的流量为200-20000sccm，具体可为500sccm；用金属有机化学气相沉积方法生长u-GaN薄膜的条件包括：衬底温度为1000-1200℃，具体可为1045℃；沉积压强为20-200torr，具体可为80torr；载气为惰性气体或氮气；生长时间为0.5h-2h，具体可为1h；TMGa的流量为20-500sccm，具体可为80sccm；H2的流量为0-20000sccm，具体可为15400sccm；NH3的流量为500-8000sccm，具体可为6000sccm。用金属有机化学气相沉积方法生长n-GaN薄膜的条件包括：衬底温度为1000-1200℃，具体可为1045℃；沉积压强为20-200torr，具体可为50torr；载气为惰性气体或氮气；生长时间为0.5h-2h，具体可为2h；TMGa的流量为20-500sccm，具体可为80sccm；硅烷的流量为1-20sccm，具体可为2.5sccm；H2的流量为0-20000sccm，具体可为15400sccm；NH3的流量为100-20000sccm，具体可为6000sccm。用金属有机化学气相沉积方法生长多量子阱薄膜的条件包括：在735℃条件下，生长通入流量为200-500sccm或260sccm的三甲基铟，流量为10-300sccm或30sccm的三甲基镓，流量为6000sccm的氨气和流量为15400sccm的氢气，进行InGaN的生长，生长完毕后再将温度变为835℃，气体切换为流量为60sccm的三甲基镓、流量为6000sccm的氨气和流量为15400sccm的氢气，进行GaN的生长,生长完毕完成一对量子阱薄膜的生长；重复若干次即得所述多量子阱薄膜；用金属有机化学气相沉积方法生长p-GaN薄膜的条件包括：衬底温度为950-1100℃；沉积压强为20-200torr，具体可为50torr；载气为惰性气体或氮气；生长时间为2min-10min，具体可为5min；TMGa的流量为50sccm-120sccm；二茂镁与TMGa的流量比为0.1-1.0：1；H2的流量为0-20000sccm，具体可为15400sccm；NH3的流量为500sccm-2000sccm。所述石墨烯蓝宝石衬底的制备方法包括：在对蓝宝石衬底进行石墨烯化学气相沉积后，对体系进行等离子处理、氧等离子体处理、氮等离子体处理或氩等离子体处理。具体的，所述氧等离子体处理中，温度为常温；压强为10-2000Pa；氧气的流量为10-100sccm，具体可为15sccm；功率为30-200W，具体可为90W；时间为5-30s，具体可为20s；所述氮等离子体处理中，温度为常温；压强为10-2000Pa；氮气的流量为10-100sccm，具体可为15sccm；功率为30-200W，具体可为90W；时间5-60s，具体可为30s；所述氩等离子体处理中，温度为常温；压强为10-2000Pa；氩气的流量为10-100sccm，具体可为15sccm；功率为30-200W，具体可为90W；时间5-60s，具体可为10s。所述石墨烯化学气相沉积中，化学气相沉积的方法具体可为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。具体的，所述常压化学气相沉积中，碳源为甲烷或乙烯；沉积温度为1000℃-1100℃，具体为1050℃；沉积压强为常压；载气为由氩气和氢气组成的混合气，其中氩气与氢气的流量比为1-10：1，具体为5：1；氩气的流量具体为100-1000sccm，具体为500sccm；氢气的流量为50-500sccm，具体为100sccm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED基外延片，由下至上依次包括：石墨烯蓝宝石衬底、AlN、u‑GaN、n‑GaN、多量子阱和p‑GaN薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种LED基外延片，由下至上依次包括：石墨烯蓝宝石衬底、AlN、u-GaN、n-GaN、多量子阱和p-GaN薄膜。2.根据权利要求1所述的LED基外延片，其特征在于：所述石墨烯蓝宝石衬底中，蓝宝石衬底为平板蓝宝石衬底或图形化蓝宝石衬底；AlN薄膜的厚度为0.5-2.0μm；u-GaN薄膜的厚度为1-2.5μm；n-GaN薄膜的厚度为1-5μm或2μm；多量子阱薄膜为3-10对InGaN/GaN量子阱薄膜或4-10对InGaN/GaN量子阱薄膜或9对InGaN/GaN量子阱薄膜；每对InGaN/GaN量子阱薄膜中，InGaN层的厚度具体为3nm，GaN层的厚度具体为15nm；p-GaN薄膜的厚度为50-200nm或100nm。3.一种LED芯片，包括权利要求1或2所述LED基外延片。4.一种LED器件，包括权利要求3所述LED芯片。5.一种利用石墨烯蓝宝石衬底制备LED基外延片的方法，包括：在石墨烯蓝宝石衬底上依次生长AlN、u-GaN、n-GaN、多量子阱和p-GaN薄膜。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述生长步骤中，生长方法选自金属有机化学气相沉积、分子束外延、氢化物气相外延和溅射法中的至少一种。7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：用金属有机化学气相沉积方法生长AlN薄膜的条件包括：衬底温度为600℃-1400℃或1200℃；沉积压强为30-100torr或50torr；载气为惰性气体或氮气；生长时间为0.5h-2h或1h；TMAl的流量为50-120sccm；H2的流量为0-20000sccm或15400sccm；NH3的流量为200-20000sccm或500sccm；用金属有机化学气相沉积方法生长u-GaN薄膜的条件包括：衬底温度为1000-1200℃或1045℃；沉积压强为20-200torr或80torr；载气为惰性气体或氮气；生长时间为0.5h-2h或1h；TMGa的流量为20-500sccm或80sccm；H2的流量为0-20000sccm或15400sccm；NH3的流量为500-8000sccm或6000sccm；用金属有机化学气相沉积方法生长n-GaN薄膜的条件包括：衬底温度为1000-1200℃或1045℃；沉积压强为20-200torr或50torr；载气为惰性气体或氮气；生长时间为0.5h-2h或2h；TMGa的流量为20-500sccm或80sccm；硅烷的流量为1-20sccm或2.5sccm；H2的流量为0-20000sccm或15400sccm；NH3的流量为100-20000sccm或6000sccm；用金属有机化学气相沉积方法生长多量子阱薄膜的条件包括：在735℃的条件下，生长通入流量为200-500sccm或260sccm的三甲基铟，流量为10-300sccm或30sccm的三甲基镓，流量为6000sccm的氨气和流量为15400sccm的氢气，进行InGaN的生长，生长完毕后再将温度变为835℃，气体切换为流量为60sccm的三甲基镓、流量为6000sccm的氨气和流量为15400sccm的氢气，进行GaN的生长,生长完毕完成一对量子阱薄膜的生长；重复若干次即得所述多量子阱薄膜；用金属有机化学气相沉积方法生长p-GaN薄膜的条件包括：衬底...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忠范，陈召龙，高鹏，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11