【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体发光器件领域，具体涉及一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片及其制备方法。
技术介绍
1、目前，与gan基蓝光led相比，gan基长波长led，尤其是gan基红光led的发光效率偏低，其主要原因是led有源区ingan基量子阱结构的发光效率较低，而量子阱结构低的发光效率与ingan阱层中所需的高的铟组分有关：第一，要实现高的铟组分，ingan量子阱需在较低的温度下生长，低的生长温度导致ingan量子阱的晶体质量较差。同时，为了防止ingan量子阱中铟的热分解，gan或ingan垒层的生长温度不能过高，使得量子垒层的晶体质量也较差；第二，高的铟组分使得ingan阱层与垒层的晶格失配较大，从而ingan阱层受到的应力也较大，会降低ingan阱层中铟的并入效率并加剧相分离和量子限制斯塔克效应。同时，铟并入效率的降低会进一步降低量子阱的生长温度。此外，ingan阱层大的残余应力会在阱层和垒层界面处诱导产生新的位错，降低量子阱晶体质量。gan基长波长led低的发光效率极大地阻碍了gan基全色显示技术以及微显示技术的发展。
技术实现思路
1、本专利技术的目的就是为了解决上述gan基长波长led发光效率低的问题，从提高外延层结晶质量和量子阱生长温度以及改善器件性能等方面综合考虑，在石墨烯上制备氮极性gan基长波长led芯片。
2、其优点在于：石墨烯表面缺乏悬挂键，与外延gan之间作用力弱，界面gan晶格常数不会像传统异质外延那样发生较大的应变，薄膜受到的应力会
3、本专利技术所设计的一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片(见附图1和附图说明)，从下至上依次由衬底1、石墨烯层2、氮极性gan模板层3、氮极性n-gan电子提供层4、氮极性ingan基多量子阱有源区5、氮极性p-alx1ga1-x1n电子阻挡层6、氮极性p-gan空穴注入层7组成，氮极性n-gan电子提供层4和氮极性ingan基多量子阱有源区5间形成裸露的氮极性n-gan电子提供层4台面，在氮极性n-gan电子提供层4台面和氮极性p-gan空穴注入层7上分别制备有n型电极层9和p型电极层8；其中0.1≤x1≤0.4。衬底1可以为碳面碳化硅衬底、氮面gan衬底、高温下氨气处理(1000～1100℃处理5～10分钟)的蓝宝石衬底等任意可以生长出氮极性氮化物层的衬底。
4、如上所述的一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片，gan模板层3、n-gan电子提供层4、ingan基多量子阱有源区5、p-alx1ga1-x1n电子阻挡层6、p-gan空穴注入层7均为氮极性。氮极性氮化物半导体为六方纤锌矿结构，其沿c轴<0001>方向具有不对称性，即沿c轴方向金属原子的正电荷中心和氮原子的负电荷中心不重合，存在自发极化效应。氮化物材料沿c轴生长时，当沿生长方向平行于c轴的金属原子和氮原子的成键方向为金属原子指向氮原子时，材料的晶格极性为金属极性。反之，若沿生长方向平行于c轴的金属原子和氮原子的成键方向为氮原子指向金属原子时，材料的极性为氮极性。氮极性氮化物材料和金属极性氮化物材料中的极化方向相反，因此这两种极性材料中沿生长方向的极化电场是相反的。获得氮极性氮化物层的方法与衬底和衬底的表面处理工艺有关，如在碳面碳化硅衬底和氮面gan衬底上可直接生长出氮极性氮化物层，而在高温氨化处理的蓝宝石衬底(即在1000～1100℃高温下通入氨气进行5～10分钟处理)也能接生长出氮极性氮化物层。
5、如上所述的一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片，氮极性ingan量子阱有源层区5由垒层iny0ga1-y0n和阱层inx0ga1-x0n交替生长组成，对数在2～5对之间，其中0.25＜x0≤1，0≤y0＜x0。
6、如上所述的一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片，氮极性gan模板层3的厚度为500nm～5μm，氮极性n-gan电子提供层4的厚度为500nm～3μm，氮极性ingan基多量子阱有源区5中每个垒层gan的厚度为10～15nm，每个阱层inx0ga1-x0n的厚度为2～4nm，氮极性p-alx1ga1-x1n电子阻挡层6的厚度为10～40nm，氮极性p-gan空穴注入层7的厚度为100～200nm，p型电极层8的厚度为5～100nm，n型电极层9的厚度为5～100nm。
7、如上所述的一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片，p型电极可以是au、pt等一元合金单层，ni-au、ni-pt等二元合金复合层或ti-pt-au、ni-pt-au等三元合金复合层，n型电极可以是ti-al等二元合金复合层、ti-al-au等三元合金复合层或者ti-al-ni-au等四元合金复合层。
8、一种如上所述的石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片的制备方法，其步骤如下：
9、(1)在衬底1上直接制备石墨烯层2或把石墨烯层2转移至衬底1上；
10、其中在衬底上直接制备石墨烯的一种可行方法为：将衬底(特别是碳面碳化硅衬底)在氩气氛围下于800～1000℃退火1～2小时，退火压力为200～400mbar；然后，在600～800mbar下氩气氛围中继续加热到1500～1700℃并持续2～4小时，实现衬底表面石墨烯层的生长；
11、其中把石墨烯层2转移至衬底1上的一种可行方法为：将在铜片上通过化学气相沉积方法沉积的石墨烯，在其表面旋涂光刻胶，然后在溶液中把铜片溶解，从而光刻胶和石墨烯结合在一起；进一步，把光刻胶和石墨烯转移到水溶液中，然后把衬底放到水溶液底部直接捞起，最后用有机溶剂把光刻胶去掉，从而实现石墨烯层2的转移。
12、(2)在石墨烯层2上采用金属有机物气相外延(mocvd)或分子束外延的方法依次生长氮极性gan模板层3、氮极性n-gan电子提供层4、氮极性ingan基多量子阱有源区5、氮极性p-alx1ga1-x1n电子阻挡层6、氮极性p-gan空穴注入层7，从而制备得到石墨烯上氮极性gan基长波长led结构；生长源为三甲基铝、三甲基铟、三乙基镓、三甲基镓和高纯氨气，生长温度为500～1100本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种石墨烯上氮极性GaN基长波长LED芯片，其特征在于：从下至上依次由衬底(1)、石墨烯层(2)、氮极性GaN模板层(3)、氮极性n-GaN电子提供层(4)、氮极性InGaN基多量子阱有源区(5)、氮极性p-Alx1Ga1-x1N电子阻挡层(6)、氮极性p-GaN空穴注入层(7)组成，氮极性n-GaN电子提供层(4)和氮极性InGaN基多量子阱有源区(5)间形成裸露的氮极性n-GaN电子提供层(4)台面，在氮极性n-GaN电子提供层(4)台面和氮极性p-GaN空穴注入层(7)上分别制备有n型电极层(9)和p型电极层(8)；氮极性InGaN量子阱有源层区(5)由垒层Iny0Ga1-y0N和阱层Inx0Ga1-x0N交替生长组成，生长对数在2～5对之间，其中0.1≤x1≤0.4，0.25＜x0≤1，0≤y0＜x0。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯上氮极性GaN基长波长LED芯片，其特征在于：衬底(1)为碳面碳化硅衬底、氮面GaN衬底或高温下氨气处理的蓝宝石衬底。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯上氮极性GaN基长波长LED芯片，其特征在于：氮极性GaN模
4.如权利要求1所述的一种石墨烯上氮极性GaN基长波长LED芯片，其特征在于：p型电极层(8)是Au、Pt、Ni-Au、Ni-P、Ti-Pt-Au、Ni-Pt-Au的一元合金单层、二元合金复合层或三元合金复合层，n型电极是Ti-Al、Ti-Al-Au、Ti-Al-Ni-Au的二元合金复合层、三元合金复合层或四元合金复合层。
5.权利要求1～4任意一项所述的一种石墨烯上氮极性GaN基长波长LED芯片的制备方法，其步骤如下：
6.如权利要求5所述的一种石墨烯上氮极性GaN基长波长LED芯片的制备方法，其特征在于：在衬底(1)上直接制备石墨烯层(2)是将衬底(1)在氩气氛围下于800～1000℃退火1～2小时，退火压力为200-400mbar；然后在600～800mbar下氩气氛围中继续加热到1500～1700℃并持续2～4小时，实现衬底(1)表面石墨烯层(2)的生长。
7.如权利要求5所述的一种石墨烯上氮极性GaN基长波长LED芯片的制备方法，其特征在于：把石墨烯层(2)转移至衬底(1)是在铜片上通过化学气相沉积方法沉积的石墨烯，再在其表面旋涂光刻胶，然后在溶液中把铜片溶解，从而使光刻胶和石墨烯结合在一起；再把光刻胶和石墨烯转移到水溶液中，把衬底放到水溶液底部直接捞起，最后用有机溶剂把光刻胶去掉，从而实现石墨烯层(2)的转移。
8.如权利要求5所述的一种石墨烯上氮极性GaN基长波长LED芯片的制备方法，其特征在于：制备电极的方法为热蒸镀、电子束蒸镀或磁控溅射方法。
...【技术特征摘要】
1.一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片，其特征在于：从下至上依次由衬底(1)、石墨烯层(2)、氮极性gan模板层(3)、氮极性n-gan电子提供层(4)、氮极性ingan基多量子阱有源区(5)、氮极性p-alx1ga1-x1n电子阻挡层(6)、氮极性p-gan空穴注入层(7)组成，氮极性n-gan电子提供层(4)和氮极性ingan基多量子阱有源区(5)间形成裸露的氮极性n-gan电子提供层(4)台面，在氮极性n-gan电子提供层(4)台面和氮极性p-gan空穴注入层(7)上分别制备有n型电极层(9)和p型电极层(8)；氮极性ingan量子阱有源层区(5)由垒层iny0ga1-y0n和阱层inx0ga1-x0n交替生长组成，生长对数在2～5对之间，其中0.1≤x1≤0.4，0.25＜x0≤1，0≤y0＜x0。
2.如权利要求1所述的一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片，其特征在于：衬底(1)为碳面碳化硅衬底、氮面gan衬底或高温下氨气处理的蓝宝石衬底。
3.如权利要求1所述的一种石墨烯上氮极性gan基长波长led芯片，其特征在于：氮极性gan模板层(3)的厚度为500nm～5μm，氮极性n-gan电子提供层(4)的厚度为500nm～3μm；氮极性ingan基多量子阱有源区(5)中每个阱层inx0ga1-x0n的厚度为2～4nm，0＜x0≤1；每个垒层iny0ga1-y0n的厚度为10～15nm，0≤y0＜x0；氮极性p-alx1ga1-x1n电子阻挡层(6)的厚度为10～40nm，氮极性p-gan空穴注入层(7)的厚度为100～200nm，p型电极层(...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓高强，张源涛，于佳琪，赵敬凯，王昱森，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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