一種基于銅襯底的氮化物led外延片結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于銅襯底的氮化物L(fēng)ED外延片結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于LED光電子器件的制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]使用氮化物AlxInyGa1TyN(O ^ x, y ^ I ；x+y ( I ;纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu))半導(dǎo)體材料制作的發(fā)光二極管LED以其節(jié)能、環(huán)保、長壽命等優(yōu)點逐漸在電子顯示屏、景觀照明、礦燈、路燈、液晶顯示器背光源、普通照明、光盤信息存儲、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域展開廣泛應(yīng)用。上述化合物半導(dǎo)體可以覆蓋從紅外、可見到紫外光的全部光譜能量范圍，而通過控制氮化物合金的陽離子組分可以準確地定制LED器件的發(fā)射波長。從應(yīng)用領(lǐng)域范圍、市場容量來看，又以氮化物L(fēng)ED的應(yīng)用為大宗、主流，比如，以白光LED為應(yīng)用代表的半導(dǎo)體照明行業(yè)。
[0003]制作氮化物L(fēng)ED時，首先在襯底上進行氮化物L(fēng)ED結(jié)構(gòu)的外延膜層生長，然后進行芯片器件加工得到分離的器件單元，即芯片。常見的外延生長方法包括:有機金屬化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、氫化物氣相外延(HVPE)、脈沖濺射沉積(PSD)、射頻磁控濺射(RF-MS)、分子束外延(MBE)、脈沖激光沉積(PLD)、遠程等離子體增強化學(xué)氣相沉積(RPCVD)等系統(tǒng)。其中，MOCVD和HVPE方法的生長溫度較高，在1000-1250°C范圍；而PSD、RF-MS, MBE、PLD和RPCVD方法的生長溫度較低，在20-1050°C范圍不等。
[0004]LED芯片器件加工主要是使用光刻、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、電子束蒸鍍(e-Beam)、磁控濺射(MS)、等離子增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)等方法制作p、n型電極及介電保護層等。
[0005]目前，產(chǎn)業(yè)界制作氮化物L(fēng)ED仍然以異質(zhì)外生長為主，所選用的襯底主要有三種單晶材料，分別是藍寶石(a -Al2O3)、SiC (包括4H-SiC和6H_SiC)、Si。外延生長程就是在這些與氮化物AlxInyGa1^N(O ^ x, y ^ I ;x+y ( I)晶格常數(shù)接近的單晶材料上生長氮化物單晶薄膜。
[0006]根據(jù)襯底材料的選擇不同，外延片和芯片制作的技術(shù)路線也會不同。例如，基于藍寶石襯底進行氮化物L(fēng)ED外延結(jié)構(gòu)中的緩沖層往往是不導(dǎo)電的，而芯片產(chǎn)品主要有:正裝、倒裝和薄膜芯片三種類型。由于藍寶石襯底對于可見光的吸收系數(shù)很小，因此通過制作正裝或倒裝芯片的形式，均能夠?qū)崿F(xiàn)較好的出光效率。由于藍寶石襯底不導(dǎo)電，因此制作垂直結(jié)構(gòu)芯片(即垂直芯片)就必須去掉它。以薄膜芯片為代表的垂直芯片通常采用激光剝離的辦法來實現(xiàn)藍寶石襯底和外延層的分離，但是這種方法工藝復(fù)雜、設(shè)備昂貴、過程良率不高。又比如，使用η型導(dǎo)電SiC襯底進行LED結(jié)構(gòu)生長的外延片可以制作η型導(dǎo)電的緩沖層，以便后期制作垂直結(jié)構(gòu)的芯片。此外，還有使用非導(dǎo)電型SiC襯底進行氮化物外延生長，進而制作正裝芯片的技術(shù)線路。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種降低襯底使用成本，提高LED器件的電流注入效率和熱量管理能力的基于銅襯底的氮化物L(fēng)ED外延片結(jié)構(gòu)及其制備方法。
[0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種基于銅襯底的氮化物L(fēng)ED外延片結(jié)構(gòu)，包括銅襯底、二維衍生膜及氮化物外延層，所述二維衍生膜位于所述銅襯底及所述氮化物外延層之間，且所述二維衍生膜附著在所述銅襯底的表面上，所述氮化物外延層附著在所述二維衍生膜上；其中，
[0009]所述銅襯底為僅由金屬銅材質(zhì)組成的自支撐薄片，或者為其它材質(zhì)襯底上附著一層或兩層以上的金屬薄膜組成的復(fù)合襯底；
[0010]所述二維衍生膜由一層或兩層以上的二維納米片材料構(gòu)成，且所述二維納米片材料包括石墨烯、六方氮化硼中的任意一種或兩種的組合。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012]采用本發(fā)明所述的基于銅襯底的氮化物L(fēng)ED外延片結(jié)構(gòu)后，可以實現(xiàn)在金屬銅襯底上進行具有較高晶體質(zhì)量的氮化物外延生長，不僅節(jié)約了成本，而且改善了器件的光、電、熱學(xué)性能。
[0013]石墨烯、六方氮化硼是新型二維納米片材料，它們的原子之通過Sp2電子軌道連接在一起，可使用它們制作二維衍生膜。通常，石墨烯或六方氮化硼材料由一層或多層構(gòu)成，表現(xiàn)優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)機械性能。此外，由于石墨烯或六方氮化硼具有六角密排的原子格位，與纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化物晶體中各層原子的排布情形相同，因此在石墨烯或六方氮化硼上進行氮化物外延生長能實現(xiàn)較高的晶體質(zhì)量。
[0014]在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0015]進一步，所述其它材質(zhì)包括硅、藍寶石、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氮化硼、鍺、二氧化娃、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅、氧化鎵、尖晶石、鋁酸鋰、鋁鎂酸鈧、鎵酸鋰、鋁鎂酸鈧、銀酸鋰、硼化鋯或硼化鉿中的至少一種；所述金屬薄膜由至少一層金屬銅薄膜組成；或者所述金屬薄膜的材質(zhì)為Cu、N1、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh、W、T1、Sn、Au、Al或Pd中的任意一種或兩種以上的混合，且至少有一層金屬銅薄膜處于所述復(fù)合襯底的最表層。
[0016]進一步，所述二維衍生膜的原子呈六角蜂窩狀排布。
[0017]進一步，所述氮化物外延層由從下至上依次疊加的緩沖層、η型電子注入層、有源層和P型空穴注入層構(gòu)成，且所述緩沖層附著在所述二維衍生膜上。
[0018]進一步，所述緩沖層的厚度為0.001?10 μπι;所述η型電子注入層的厚度為0.1?20 μπι ;所述有源層的厚度為I?2000nm;所述P型空穴注入層的厚度為0.05?5 μ m0
[0019]進一步，所述緩沖層包括至少一個緩沖層子層，所述緩沖層子層由氮化物AlxInyGa1^yN中的至少一種構(gòu)成，其中，O彡x，y彡1，x+y ( I ；
[0020]每個所述緩沖層子層分別進行η型摻雜、P型摻雜或非摻雜；
[0021]所述η型摻雜中摻雜的元素為S1、Sn、S、Se或Te中的至少一種；
[0022]所述P型摻雜中摻雜的元素為Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一種。
[0023]進一步，所述η型電子注入層包括一個以上的η型子層，所述η型子層由氮化物AlxInyGa1^yN 中的至少一種構(gòu)成，其中，O ^ x, y ^ I ；x+y ( I ；
[0024]每個所述η型子層分別進行η型摻雜，且η型摻雜的摻雜濃度相同或不同，所述η型摻雜中摻雜的元素為S1、Sn、S、Se和Te中的至少一種。
[0025]進一步，所述有源層包括一個以上的薄膜子層，所述薄膜子層由氮化物AlxInyGa1^yN 中的至少一種構(gòu)成，其中，O ^ x, y ^ I ；x+y ( I ；
[0026]每個所述薄膜子層分別進行η型摻雜、P型摻雜或非摻雜；
[0027]所述η型摻雜中摻雜的元素為S1、Sn、S、Se或Te中的至少一種；
[0028]所述P型摻雜中摻雜的元素為Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一種。
[0029]進一步，所述P型空穴注入層包括一個以上的P型子層，所述P型子層由氮化物AlxInyGa1^yN 中的至少一種構(gòu)成，其中，O ^ x, y ^ I ；x+y ( I ；
[0030]每個所述P型子層分別進行P型摻雜，且每個所述P型子層的P型摻雜的摻雜濃度相同或不同，所述P型摻雜中摻雜的元素為Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一種。
[0031]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的另一技術(shù)方案如下:
[0032]一種基于銅襯底的氮化物L(fēng)ED外延片結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0033]I)在銅襯底上制備一層或兩層以上的二維衍生膜層，制得具有二維衍生膜層的銅襯底；具體包括三種制備方法:
[0034]制備方法一，在銅襯底上直接使用化學(xué)氣相沉積的方法制備一層或兩層以上的石墨烯層或者六方氮化硼層；
[0035]制備方法二，通過高溫退火的方法或化學(xué)氣相沉積的方法在Si C襯底上制備出石墨烯層或六方氮化硼膜層，然后將所述石墨烯層或六方氮化硼膜層再轉(zhuǎn)移到銅襯底上；
[0036]制備方法三，通過化學(xué)氣相沉積的方法在其它金屬襯底上制備出石墨烯層或六方氮化硼膜層，然后將所述石墨烯層或六方氮化硼膜層再轉(zhuǎn)移到銅襯底上；
[0037]2)在所述具有二維衍生膜層的銅襯底上生長氮化物外延層，依次生長順序為:緩沖層、η型電子注入層、有源層和P型空穴注入層。
[0038]進一步，在制備方法一中，所述制備石墨烯層的具體步驟如下:將銅襯底置入化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，在溫度為400?1050°C的條件下，同時通入氬氣和碳氫化合物，在銅襯底上生成石墨烯層；
[0039]所述制備六方氮化硼的具體步驟如下:將銅襯底置入化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，在溫度為400?1050°C的條件下，同時通入氨氣和硼氫化合物，或著單獨通入硼氮氫化合物，在銅襯底上生成六方氮化硼層。
[0040]進一步，在制備方法二中，所述石墨烯層是通過高溫退火的方法或化學(xué)氣相沉積的方法制得:
[0041]所述高溫退火的方法的具體步驟如下:將SiC襯底置入溫度為1500?2000°C、真空度為彡1-3Pa的環(huán)境中，或者溫度為1300?1800°C、壓強為彡12Pa的氬氣氣氛的環(huán)境中，通過襯底表面硅原子的升華而實現(xiàn)石墨化進而得到石墨烯層；
[0042]所述化學(xué)氣相沉積的方法的具體步驟如下:將SiC襯底置入化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，在溫度為1300?1800°C條件下同時通入氬氣和碳氫化合物，在SiC襯底上生成石墨烯層；
[0043]所述六方氮化硼是通過化學(xué)氣相沉積的方法制得，具體步驟如下:在溫度為1200?1800°C條件下，同時通入氨氣和硼氫化合物，或著單獨通入硼氮氫化合物，在SiC襯底上生成所述六方氮化硼層；
[0044]將所述石墨烯層或六方氮化硼膜層轉(zhuǎn)移到銅襯底上的具體步驟如下:首先，在制備完所述石墨烯層或六方氮化硼膜層的S i C襯底上蒸鍍至少一層金屬鎳薄膜；然后，使用粘膠膜緊貼在金屬鎳薄膜上，并將所述石墨烯層或六方氮化硼膜層和金屬鎳薄膜一起機械剝離下來；之后，將所述石墨烯層或六方氮化硼膜層壓合在金屬銅襯底上；最后，使用加熱方法去掉粘膠膜，并使用化學(xué)試劑溶解或腐蝕掉金屬鎳薄膜