一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法。本发明专利技术通过在单晶金属衬底上表面引入高晶体质量的、具有六方晶体结构对称性的石墨烯阻挡层，利用石墨烯阻挡层的层内强共价键阻挡单晶金属衬底与氮化物LED的界面反应和金属原子的扩散，利用石墨烯阻挡层的层间弱分子力结合弛豫金属衬底和氮化物LED结构的晶格失配和热失配，通过表面活化处理石墨烯阻挡层提供氮化物LED的成核位点，进而得到高晶体质量、高发光效率的大功率氮化物垂直结构LED；本发明专利技术具有简化氮化物垂直结构LED制备工艺、提高氮化物LED的晶体质量和发光效率、提高氮化物LED散热能力、成本低、成品率高、设备简单易操作、适合产业化生产等优点。

A Method of Preparing Nitride Vertical Structure LED Using Graphene Barrier Layer

【技术实现步骤摘要】
一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法
本专利技术涉及氮化物LED的制备技术，具体涉及一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法。
技术介绍
氮化物发光二极管(lightemittingdiode)通过对PN结施加电压，导致载流子复合发光，是氮化物半导体材料在光电器件领域的一种重要应用，具有工作电压低、发光效率高、节能环保、可靠耐用等优点，在固态照明、大屏显示、航空航天等领域具有广阔的应用前景。现有氮化物LED主要采用异质外延方式，采用正装结构、倒装结构和垂直结构三种芯片设计。正装结构和倒装结构都是异质外延衬底上制备的水平结构，电极分布在LED芯片的同一侧，具有工艺成本低、应用广泛的优势，但也存在电流分布不均匀、出光效率低、散热能力差等严重问题。垂直结构LED是将氮化物LED结构直接外延或转移到散热性好的导电衬底或金属衬底上，电极分布在LED上下两侧，该结构充分利用多量子阱有源区，改善电流分布情况，提高LED芯片散热能力，是一种制备大功率氮化物LED的有效途径。目前，大功率垂直结构氮化物LED的制备方案主要有非金属导电衬底的直接外延法、金属衬底上的转移法。前者主要采用导电的Si或者SiC衬底，存在氮化物LED外延工艺不成熟、衬底吸收损耗大等问题。后者主要采用异质非金属衬底上氮化物LED的激光剥离、键合和电镀工艺，将氮化物LED转移到金属衬底上，存在金属镀层表面粗糙、实验条件苛刻、工艺参数复杂等问题。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，通过对石墨烯阻挡层的厚度调控和活化处理，抑制单晶金属衬底上高温外延制备氮化物LED结构时严重的界面反应和金属原子扩散问题，提高氮化物LED晶体质量和发光效率，弛豫单晶金属衬底和氮化物LED结构降温过程中的热失配，避免降温过程中氮化物LED外延片开裂，从而获得高质量、高发光效率、高散热能力的大功率氮化物垂直结构LED外延片。本专利技术的利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，包括以下步骤：1)提供具有六方晶体结构对称性的单晶金属衬底，化学清洗后在还原性气氛中高温处理单晶金属衬底，除去单晶金属衬底的表面氧化层，获得表面洁净的单晶金属衬底；2)采用化学气相沉积或者薄膜转移技术在单晶金属衬底的上表面形成具有六方晶体结构对称性的多层石墨烯层，多层石墨烯层完全覆盖金属衬底的上表面，利用快速降温方式使得多层石墨烯层的表面形成褶皱，从而在单晶金属衬底上形成石墨烯阻挡层；3)采用薄膜沉积技术在单晶金属衬底的下表面和侧壁沉积化学性质稳定并且耐高温的金属，从而形成金属阻挡层，抑制单晶金属衬底高温外延时金属原子的扩散行为，保护反应腔室，避免外延后续结构时金属原子非故意并入；4)活化处理石墨烯阻挡层，形成在面内的C-N键和在表面的悬挂键，增加氮化物LED成核生长所需的成核位点，然后恢复石墨烯阻挡层在活化过程受到的结构损伤；5)采用薄膜沉积技术，在石墨烯阻挡层上沉积n型电子注入层；6)采用薄膜沉积技术，在n型电子注入层上制备多量子阱层、电子阻挡层、p型空穴注入层和p型接触层，获得氮化物垂直结构LED外延片。在步骤1)中，氮化物LED的器件性能，很大程度上依赖于氮化物单晶薄膜的晶体质量。高质量、六方晶体结构对称性的氮化物单晶薄膜的制备，需要在具有六方晶体结构对称性的单晶金属衬底上进行。如果采用多晶或者非晶衬底，制备的氮化物单晶薄膜晶体质量差，缺陷密度高，会在氮化物LED结构中引入大量的非辐射复合中心，降低氮化物LED的发光效率。同时，氮化物LED的散热能力决定了其在大功率条件下的功率密度、工作温度、寿命等关键性能参数，是决定大功率氮化物LED的关键因素。氮化物LED的散热能力主要取决于衬底材料，常规的非金属衬底如蓝宝石Al2O3，热导率低，散热能力差，不利于氮化物LED的散热能力。单晶铜Cu、镍Ni及其合金不但具有导热性高、制备工艺成熟、易于商业化、成本低廉等优点，而且能够制备六方晶体结构对称性的、高晶体质量的石墨烯材料，进而制备出高晶体质量、高发光效率、高散热能力的大功率氮化物LED外延片。单晶金属衬底采用导热性能好，且与现有制备氮化物垂直LED工艺兼容的金属；采用(111)晶面取向的、具有六方晶体结构对称性的单晶铜Cu、镍Ni或者二者的合金。其中单晶金属衬底的晶体质量由X射线衍射测试证明：能够观察到(111)晶面族的衍射信号，而无其他晶面族的衍射信号。获得高质量的单晶金属衬底的三种方法：a)直接采用单晶铜Cu、镍Ni或二者合金的(111)晶面取向的薄片作为单晶金属衬底；为了提供足够的机械强度，单晶金属衬底的厚度在20～1000μm之间；b)采用温度1000～1480℃、氩气氛围的高温热退火方法处理多晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，利用高温促进多晶铜Cu、镍Ni或者二者金中晶界移动，进而得到单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，即所需的单晶金属衬底；考虑到高温热退火技术对多晶金属衬底结晶度改善效果以及单晶金属衬底的机械强度问题，得到的单晶金属衬底的厚度在20～500μm之间；退火时间为30分钟～2小时，与单晶金属衬底的尺寸有关，尺寸越大时间越长；c)采用厚度为5～50μm的多晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，在温度1000～1480℃、氩气氛围中进行高温热退火处理，利用高温促进多晶铜Cu、镍Ni或者二者金中晶界移动，进而得到单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金；再采用高温键合工艺，将单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金放置在键合衬底的上表面，加热至1000～1450℃，使得金单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金的下表面和键合衬底的上表面在高温条件形成合金，产生强的键合，获得上表面具有高晶体质量的、(111)晶面取向的单晶金属衬底。键合衬底为单晶或非晶金属，或者单晶或非晶的非金属导电衬底，如硅或碳化硅，厚度为50～1000μm。化学清洗后在还原性气氛中高温处理单晶金属衬底，能够获得表面洁净的单晶金属衬底，有利于连续的、高质量的石墨烯外延层制备。化学清洗处理依次采用三氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，除去单晶金属衬底表面的有机物和灰尘；在还原性气氛中高温处理是将单晶金属衬底通过管式炉加热至800～1350℃，通入具有还原性的氢气H2或氢气H2和惰性气体的混合气体，除去单晶金属衬底的表面氧化层。在步骤2)中，氮化物的典型生长温度为500～1300℃，当生长温度≥650℃时，金属衬底和氮化物LED结构间存在严重的界面反应以及金属原子扩散进入氮化物LED结构中降低其晶体质量的问题。同时氮化物LED结构和金属衬底间存在大的晶格失配和热失配，容易在氮化物LED结构中引入大量晶体缺陷，在降温过程中造成氮化物LED芯片开裂，降低氮化物LED的性能及成品率。本专利技术采用且仅采用导电的多层石墨烯作为阻挡层，利用石墨烯层间弱的分子力连接，有效弛豫金属衬底和氮化物LED外延结构间的热失配，避免氮化物LED在降温过程开裂；利用沉积在整个单晶金属衬底上表面的多层石墨烯层的面内强共价键结合，阻挡单晶金属衬底和氮化物LED结构在界面处的界面反应，阻挡单晶金属衬底中金属原子扩散进入氮化物LED结构中，改善氮化物LED形貌，避免金属原子扩散导致的多晶或非晶氮化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)提供具有六方晶体结构对称性的单晶金属衬底，化学清洗后在还原性气氛中高温处理单晶金属衬底，除去单晶金属衬底的表面氧化层，获得表面洁净的单晶金属衬底；2)采用化学气相沉积或者薄膜转移技术在单晶金属衬底的上表面形成具有六方晶体结构对称性的多层石墨烯层，多层石墨烯层完全覆盖金属衬底的上表面，利用快速降温方式使得多层石墨烯层的表面形成褶皱，从而在单晶金属衬底上形成石墨烯阻挡层；3)采用薄膜沉积技术在单晶金属衬底的下表面和侧壁沉积化学性质稳定并且耐高温的金属，从而形成金属阻挡层，抑制单晶金属衬底高温外延时金属原子的扩散行为，保护反应腔室，避免外延后续结构时金属原子非故意并入；4)活化处理石墨烯阻挡层，形成在面内的C‑N键和在表面的悬挂键，增加氮化物LED成核生长所需的成核位点，然后恢复石墨烯阻挡层在活化过程受到的结构损伤；5)采用薄膜沉积技术，在石墨烯阻挡层上沉积n型电子注入层；6)采用薄膜沉积技术，在n型电子注入层上制备多量子阱层、电子阻挡层、p型空穴注入层和p型接触层，获得氮化物垂直结构LED外延片。

【技术特征摘要】
1.一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)提供具有六方晶体结构对称性的单晶金属衬底，化学清洗后在还原性气氛中高温处理单晶金属衬底，除去单晶金属衬底的表面氧化层，获得表面洁净的单晶金属衬底；2)采用化学气相沉积或者薄膜转移技术在单晶金属衬底的上表面形成具有六方晶体结构对称性的多层石墨烯层，多层石墨烯层完全覆盖金属衬底的上表面，利用快速降温方式使得多层石墨烯层的表面形成褶皱，从而在单晶金属衬底上形成石墨烯阻挡层；3)采用薄膜沉积技术在单晶金属衬底的下表面和侧壁沉积化学性质稳定并且耐高温的金属，从而形成金属阻挡层，抑制单晶金属衬底高温外延时金属原子的扩散行为，保护反应腔室，避免外延后续结构时金属原子非故意并入；4)活化处理石墨烯阻挡层，形成在面内的C-N键和在表面的悬挂键，增加氮化物LED成核生长所需的成核位点，然后恢复石墨烯阻挡层在活化过程受到的结构损伤；5)采用薄膜沉积技术，在石墨烯阻挡层上沉积n型电子注入层；6)采用薄膜沉积技术，在n型电子注入层上制备多量子阱层、电子阻挡层、p型空穴注入层和p型接触层，获得氮化物垂直结构LED外延片。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，单晶金属衬底采用(111)晶面取向的、具有六方晶体结构对称性的单晶铜Cu、镍Ni或者二者的合金。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，得到单晶金属衬底的三种方法：a)直接采用单晶铜Cu、镍Ni或二者合金的(111)晶面取向的薄片作为单晶金属衬底；单晶金属衬底的厚度在20～1000μm之间；b)采用温度1000～1480℃、氩气氛围的高温热退火方法处理多晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，利用高温促进多晶铜Cu、镍Ni或者二者金中晶界移动，进而得到单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金；得到的单晶金属衬底的厚度在20～500μm之间；退火时间为30分钟～2小时；c)采用厚度为5～50μm的多晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，在温度1000～1480℃、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，刘放，沈波，吴洁君，荣新，郑显通，盛博文，盛珊珊，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11