采用2D材料磊晶去疵单晶基板制造技术

本实用新型专利技术公开了采用2D材料磊晶去疵单晶基板，在低成本GaN单晶基板或其他低成本的GaN准同质材料单晶基板上采用阻隔效果的2D材料范德华外延生长2D材料超薄层作为中介层，在2D材料超薄层上范德华外延生长高质量GaN或GaN基外延层，2D材料超薄层由单一材料构成或者一种以上材料迭层形成，准同质材料单晶基板外延的条件范围为：晶格常数不匹配度不大于5％以及热膨胀系数差异不大于1.5×10

Defect removal single crystal substrate with 2D epitaxial material

【技术实现步骤摘要】
采用2D材料磊晶去疵单晶基板
本技术涉及LED的
，特别涉及采用2D材料超薄中间层同质或准同质磊晶去疵单晶基板。
技术介绍
在发光二极管或雷射二极管(LD,laserdiode)的组件制造过程中，磊晶对产品的质量有重要的影响。其中对质量的影响甚至包含发光效率、耐久度等。原因在于发光二极管尤其要求构成晶体激发时电子与电洞彼此配合才可以顺利产生光子。相对地，如果在材料结构或组织上产生缺陷，电子与电洞的相互结合过程中被缺陷阻碍的可能性就会增加，导致发光效果的劣化。发光二极管主要的发光材料选用氮化镓(GaN)，通常是以外延的方法生长在基板上，而所生产出的氮化镓结晶结构和组织则很大部分受所采用的基板影响。为了增进上述发光二极管的发光效率、耐久度以及其他关于发光二极管质量相关的特性，此
通常在选择合适基板材料时考虑几种条件。通常，基板的材料希望是能尽量减少缺陷密度的单晶材料，在晶体结构、晶格常数(latticeconstant)、热膨胀系数(CTE,coefficientofthermalexpansion)与外延材料匹配才能尽可能避免在外延过程中影响发光二极管的晶体质量。依照目前技术，最常采用的基板材料是单晶的蓝宝石(Sapphire)，主要是考虑其化学稳定性好、制造技术成熟等优点；并且由于近年产能增加，蓝宝石基板相对其他替代品，如：氮化铝(AlN)，甚至氮化镓(GaN)基板等，更符合经济要求。但由于蓝宝石在晶体结构、晶格常数(latticeconstant)、热膨胀系数(CTE,coefficientofthermalexpansion)与外延材料匹配上不尽理想，导致GaN或AlGaN外延层缺陷密度偏高影响了雷射二极管(LD,laserdiode)方面的应用以及紫外光发光二极管(UVLED)的性能提升；其中属于深紫外光范围的UVCLED发光波长最具有消毒杀菌的效能，除将有效取代现行低效耗能并有害环境的汞灯之外，更将在民生及日常消毒杀菌应用中有极大发展潜能，但目前最适于UVLED的氮化铝基板量产技术存在瓶颈，UVCLED开发主要仍着力于匹配度不佳的蓝宝石基板，导致性能提升存在极大障碍。氮化铝和氮化镓的熔点均在摄氏两千五百度以上且存在蒸气压高问题，换言之，若想要直接以熔融长晶的方法制作前述两种材料的单晶基板，则不只制造成本更高，也相对会产生更多废热，对环境造成不可避免的污染。气相法长晶部分，目前氮化镓长晶采用的是氢化物气相外延法(HydrideVaporPhaseEpitaxy,HVPE)来生产单晶氮化镓基板，由于生产成本及产率条件等限制，目前量产技术达到4英寸基板同时成本极高。事实上，上述气相法缺陷密度仍然偏高于其他液相长晶工序，但受限于其余工序长晶速率过于缓慢，量产成本更为高昂，在市场需求、组件性能以及基板成本与供应量折衷考虑之下，商转主流仍限于HVPE法。文献指出气相法GaN长晶速率仍有提高数倍的可能并维持良好结晶性，但受限于缺陷密度劣化，目前并未能作为降低GaN基板成本的取向。至于氮化铝长晶技术，采用的是气相法之一的物理气相传输法(PhysicalVaporTransport,PVT)来生产单晶氮化铝基板，由于生产技术及良率限制，全球仅两家厂家有量产能力，目前量产技术仅达到2英寸基板同时成本极高，而产能全由少数厂商占有无法广泛供应市场。由于氮化铝本身化学特性以及物理气相传输法硬件零组件限制，单晶成品中一定程度的碳(C)与氧(O)杂质存在为不可避免，也一定程度影响组件特性。表1氧化锌(ZnO)单晶材料就结晶构造、热性质和晶格常数而言，都是前项中较为合适的基板材料选择，因此吸引了技术开发者投入研究。不过氧化锌今日在
中并不被广泛采用，其中主要的原因包括氧化锌的化学活性高，容易在随后的外延过程中受到含氢物质的侵蚀导致外延层质量低劣，如图1所示，在外延工序时会发生氢蚀刻氧化锌基板同时锌快速扩散进入外延层导致外延品质不佳，调整制程改善外延质量却仍然发生锌与氧扩散、掺杂入发光二极管的晶粒中，造成发光特性不符合预期，使得该种结构无法符合实际市场需求。同样的情形，也可能存在于目前使用中的其他光电组件基板-外延组合中，例如碳化硅(SiC)或砷化镓(GaAs)等；其中单晶碳化硅基板是目前高性能功率半导体以及高端发光二极管的基板材料，单晶长晶工序为气相法中的物理气相传输法(PhysicalVaporTransport,PVT)，高质量大尺寸碳化硅单晶成长技术难度高，高端量产技术掌握在少数厂商手中，影响所及应用成本仍有很大进步空间。二维材料(two-dimensional(2D)materials)是一个快速发展的新兴领域，2D材料家族中最早吸引大量研发投入也最知名的材料为石墨烯(graphene),其二维层状结构具备特殊或优异的物理/化学/机械/光电特性，层与层间则没有强力的键结存在，仅以范德华力结合，这也表示层状结构表面没有空悬键(danglingbond)存在，目前石墨烯已被确认具有广泛而优异的应用潜能；石墨烯研发工作于全球普遍开展，同时也带动更多2D材料的研发，包括六方氮化硼hBN(hexagonalBoronNitride)、过渡金属二硫族化物TMDs(transitionmetaldichalcogenides)以及黑磷blackphosphorus等也是2D材料家族中累积较多研发成果者,如图2和图3所示，上述材料均各自具备特异的材料特性与应用潜能,相关材料的制造技术开发也持续积极推展中。除了优异的光电特性之外,石墨烯、hBN以及TMDs材料之一的MoS2都被视为具有优异的扩散阻障特性,也有程度不一的高温稳定性,尤其hBN更具有绝佳的化学钝性(inertness)以及高温耐氧化性。由于具备上述层状结构本质以及层间范德华力结合特性,将2D材料家族中两种或多种材料制作成层状堆栈异质结构(hetero-structures)技术可行性大开,异质结构除了结合不同特性更创造出新的应用特性或制作出新的组件成为可能,目前光电及半导体领域的研发相当积极，如图4a、4b所示是机械性组成迭层的示意图，图5a、5b所示是物理或化学气相沉积的示意图。2D材料的范德华力结合特性也获得应用于传统3D材料的外延基板用途的关注，其着眼点在于外延技术中外延材料在晶体结构、晶格常数(latticeconstant)、热膨胀系数(CTE,coefficientofthermalexpansion)必须与基板材料匹配非常良好，但现实上常遭遇如本技术主题欠缺适合基板材料，或者是理想的基板材料成本偏高或不容易取得等情形，此时2D材料对于异质外延基板提供了另一种解决方案，也就是所谓的范德华外延(vanderWaalsEpitaxy)。范德华外延可能有利于异质外延的机制来自于传统外延接口直接的化学键改由范德华力结合所取代，将使得来自于外延工序中晶格以及热膨胀不匹配的应力或应变能因此获得一定程度的舒缓，从而使得外延层质量获得改善,或者说藉由2D材料以及范德华外延导入可以使某些原先无法实用化的异质外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.采用2D材料磊晶去疵单晶基板，其特征在于：在GaN单晶基板或GaN准同质材料单晶基板上采用阻隔效果的2D材料范德华外延生长2D材料超薄层作为中介层，在2D材料超薄层上范德华外延生长GaN或GaN基外延层，2D材料超薄层由单一材料构成或者一种以上材料迭层形成，准同质材料单晶基板外延的晶格常数不匹配度不大于5％以及热膨胀系数差异不大于1.5×10

【技术特征摘要】
1.采用2D材料磊晶去疵单晶基板，其特征在于：在GaN单晶基板或GaN准同质材料单晶基板上采用阻隔效果的2D材料范德华外延生长2D材料超薄层作为中介层，在2D材料超薄层上范德华外延生长GaN或GaN基外延层，2D材料超薄层由单一材料构成或者一种以上材料迭层形成，准同质材料单晶基板外延的晶格常数不匹配度不大于5％以及热膨胀系数差异不大于1.5×10-6℃-1。


2.如权利要求1所述的采用2D材料磊晶去疵单晶基板，其特征在于：所述2D材料超薄层的厚度范围在0.5nm到1000nm。


3.如权利要求1所述的采用2D材料磊晶去疵单晶基板，其特征在于：所述2D材料超薄层为具阻隔效...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓靁，刘家桓，宋高梅，
申请(专利权)人：王晓靁，
类型：新型
国别省市：中国台湾;71