CN105914272A - 一种发光二极管外延片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发光二极管外延片及其制备方法，属于光电领域。外延片由基板至表层包括第一缓冲层、石墨烯层、第二缓冲层和外延结构层；所述外延结构层从第二缓冲层至表层由N型半导体层、多重量子阱层、P型电子阻挡层和P型半导体层所构成。与传统氮化镓基外延片结构相比，加入石墨烯层可实现利用机械方式将氮化镓基外延结构层从基板上剥离，无须采用激光设备，更可提高剥离良率；与其它利用转移方式，将石墨烯层置于基板上的技术相比，本发明使用的石墨烯层和基板之间有缓冲层连接，无石墨烯层和基板附着性不佳的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电领域，尤其涉及一种具有石墨烯层的氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法。
背景技术
石墨烯是由一层或多层所构成的二维材料，应用在氮化镓基外延片上，由于石墨烯层与氮化物外延层在界面连接处形成键能较弱的分子键，这使石墨烯层和氮化物外延层之间的剥离提供可行性。
石墨烯应用在氮化镓基外延片结构上一般有两种方式，一是使用碳化硅基板在1500℃左右的高温度下将硅原子升华完成石墨化；另一种方式是将石墨烯材料直接转移置于氮化镓基外延片的基板上，并在此石墨烯材料上完成后续外延层的成长。第一种方式氮化镓基外延片成长基板限定使用碳化硅，和现今大量使用的蓝宝石基板相比有成本偏高的问题，而第二种使用转移方式，将石墨烯层置于基板上的方法，由于石墨烯层本身为二维材料，和基板易有附着性不佳的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种制作成本低、品质好、附着性高、易于拆卸的发光二极管外延片。
第二发明目的在于提供一种发光二极管外延片的制备方法。
本发明采用的技术方案如下：一种发光二极管外延片，外延片由基板至表层包括第一缓冲层、石墨烯层、第二缓冲层和外延结构层；外延结构层从第二缓冲层至表层由N型半导体层、多重量子阱层、P型电子阻挡层和P型半导体层所构成。
进一步的，基板为蓝宝石基板。
进一步的，第一缓冲层为SiCN，其厚度为30-40nm。
进一步的，SiCN的成分是SiaCbNc,其中a>0，b>0，c>0。
进一步的，石墨烯层厚度为0.3-10nm。
进一步的，第二缓冲层为SiCN或AlInGaN。
进一步的，SiCN的成分是SiaCbNc,其中a>0，b>0，c>0。；AlInGaN成分是AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x,y≤1，x+y≤1。
一种发光二极管外延片的制备方法，包括以下步骤：
a、在温度为500-1200℃的条件下，向反应室通入碳源(CBr4)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在蓝宝石基板上成长30-40nm的SiCN作为第一缓冲层；
b、在温度为500-1200℃的条件下，通入碳源(CBr4)和硅源(SiH4),在第一缓冲层上成长8-12nm的碳化硅；之后
控制温度为1300-1500℃，且压力<1Torr的条件下，将硅原子挥发形成石墨烯层；
c、在温度为500-1000℃的条件下，向反应室通入碳源(CBr4)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在石墨烯层上成长一层SiCN作为第二缓冲层；或者在温度为500-900℃的条件下，向反应室通入铝源(TMAl)、铟源(TMIn)、镓源(TMGa、TEGa)和氮源(NH3),在石墨烯层上成长一层AlInGaN作为第二缓冲层。
由于石墨烯层和后续要成长的氮化镓基外延结构层，晶格匹配差异较大(约20％)，所以石墨烯和氮化镓基外延结构层之间须成长一缓冲层。
d、在温度为700-1100℃的条件下，分别控制通入有机金属源、镁源(Cp2Mg)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在第二缓冲层上成长后续的外延结构层。
进一步的，在步骤a中，第一缓冲层靠近蓝石基板一侧硅成分控制在10％以下，而另一侧硅成分大于30％。
如此第一缓冲层在靠近蓝宝石基板一侧的晶格常数和蓝宝石基板接近，可得到较好的晶体品质，而靠近表层的另一侧将硅成分增加，作为后续成长碳化硅做准备。
进一步的，在步骤d中，金属源为三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)中一种或多种。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1)本发明将石墨烯层导入氮化镓基外延结构中，与传统氮化镓基外延片结构相比，加入石墨烯层可实现利用机械方式将氮化镓基外延结构层从基板上剥离，无须采用激光设备，更可提高剥离良率；
2)与其它在碳化硅基板导入石墨烯层技术相比，本发明使用价格较低的蓝宝石基板，具有成本优势；
3)与其它利用转移方式，将石墨烯层置于基板上的技术相比，本专利使用的石墨烯层和基板之间有缓冲层连接，无石墨烯层和基板附着性不佳的问题。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是传统氮化镓基外延片结构示意图；
图2是本申请外延片结构示意图；
图3是图2外延结构层的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
如图1所示，传统的氮化镓基外延片由基板1至表层包括缓冲层2和外延结构层3，这种外延结构层3若要剥离须使用激光设备，且剥离良率不佳。
如图2、图3所示，本申请发光二极管外延片，外延片由基板4至表层包括第一缓冲层5、石墨烯层6、第二缓冲层7和外延结构层8；外延结构层8从第二缓冲层7至表层由N型半导体层801、多重量子阱层802、P型电子阻挡层803和P型半导体层804所构成。
基板4为蓝宝石基板。
第一缓冲层为SiCN，其厚度为30-40nm；SiCN的成分是SiaCbNc,其中a>0，b>0，c>0。石墨烯层的厚度为0.3-10nm。
第二缓冲层为SiCN或AlInGaN，SiCN的成分是SiaCbNc,其中a>0，b>0，c>0；AlInGaN成分是AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x,y≤1，x+y≤1。
其制备方法如下：
1)在温度为500℃下，向反应室通入碳源(CBr4)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在蓝宝石基板上成长40nm的SiCN作为第一缓冲层；第一缓冲层靠近蓝石基板一侧硅成分控制在10％以下，而另一侧硅成分大于30％；
2)在温度为500℃的条件下，通入碳源(CBr4)和硅源(SiH4),在第一缓冲层上成长10nm的碳化硅；之后
在温度为1300℃，且压力<1Torr的条件下，将硅原子挥发形成石墨烯层；
3)在温度为500℃下，向反应室通入碳源(CBr4)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在石墨烯层上成长一层SiCN作为第二缓冲层；或者在温度为500℃下，向反应室通入铝源(TMAl)、铟源(TMIn)、镓源(TMGa、TEGa)和氮源(NH3),在石墨烯层上成长一层AlInGaN作为第二缓冲层；
4)在温度为700℃下，分别控制通入有机金属源、镁源(Cp2Mg)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在第二缓冲层上成长后续的外延结构层。其中金属源为三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)中一种或多种。
实施例2
实施例2与实施例1不同之处在于：制备方法的不同
1)在温度为1200℃下，向反应室通入碳源(CBr4)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在蓝宝石基板上成长30nm的SiCN作为第一缓冲层；第一缓冲层靠近蓝石基板一侧硅成分控制在10％以下，而另一侧硅成分大于30％；
2)在温度为1200℃的条件下，通入碳源(CBr4)和硅源(SiH4),在第一缓冲层上成长8nm的碳化硅；之后
在温度为1500℃，且压力<1Torr的条件下，将硅原子挥发形成石墨烯层；
3)在温度为1000℃下，向反应室通入碳源(CBr4)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在石墨烯层上成长一层SiCN作为第二缓冲层；或者在温度为900℃下，向反应室通入铝源(TMAl)、铟源(TMIn)、镓源(TMGa、TEGa)和氮源(NH3),在石墨烯层上成长一层AlInGaN作为第二缓冲层；
4)在温度为1000℃下，分别控制通入有机金属源、镁源(Cp2Mg)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在第二缓冲层上成长后续的外延结构层。其中金属源为三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)中一种或多种。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于；制备方法的不同
1)在温度为850℃下，向反应室通入碳源(CBr4)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在蓝宝石基板上成长35nm的SiCN作为第一缓冲层；第一缓冲层靠近蓝石基板一侧硅成分控制在10％以下，而另一侧硅成分大于30％；
2)在温度为850℃的条件下，通入碳源(CBr4)和硅源(SiH4),在第一缓冲层上成长12nm的碳化硅；之后
在温度为1400℃，且压力<1Torr的条件下，将硅原子挥发形成石墨烯层；
3)在温度为750℃下，向反应室通入碳源(CBr4)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在石墨烯层上成长一层SiCN作为第二缓冲层；或者在温度为700℃下，向反应室通入铝源(TMAl)、铟源(TMIn)、镓源(TMGa、TEGa)和氮源(NH3),在石墨烯层上成长一层AlInGaN作为第二缓冲层；
4)在温度为900℃下，分别控制通入有机金属源、镁源(Cp2Mg)、硅源(SiH4)和氮源(NH3),在第二缓冲层上成长后续的外延结构层。其中金属源为三甲基镓(TMGa)、三乙基镓(TEGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)中一种或多种。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种发光二极管外延片，其特征在于：所述外延片由基板至表层包括第一缓冲层、石墨烯层、第二缓冲层和外延结构层；所述外延结构层从第二缓冲层至表层由N型半导体层、多重量子阱层、P型电子阻挡层和P型半导体层所构成。
2.如权利要求1所述的一种发光二极管外延片，其特征在于：所述基板为蓝宝石基板。
3.如权利要求1或2所述的一种发光二极管外延片，其特征在于：所述第一缓冲层为SiCN。
4.如权利要求3所述的一种发光二极管外延片，其特征在于：所述SiCN的成分是SiaCbNc,其中a>0，b>0，c>0。
5.如权利要求1所述的一种发光二极管外延片，其特征在于：所述石墨烯层厚度为0.3-10nm。
6.如权利要求1或5所述的一种发光二极管外延片，其特征在于：所述第二缓冲层为SiCN或AlInGaN。
7.如权利要求6所述的一种发光二极管外延片，其特征在于：所述SiCN的成分是SiaCbNc,其中a>0，b>0，c>0；所述AlInGaN成分是AlxInyGa1-x-yN，其中0≤x,y≤1，x+y≤1。
8.如权利要求1-7中任意一个所述的一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、在温度为500-1200℃的条件下，向反应室通入碳源、硅源和氮源,在蓝宝石基板上成长35nm的SiCN作为第一缓冲层；
b、在温度为500-1200℃的条件下，通入碳源和硅源,在第一缓冲层上成长10nm碳化硅；之后
控制温度为1300-1500℃，且压力<1Torr的条件下，将硅原子挥发形成石墨烯层；
c、在温度为500-1000℃的条件下，向反应室通入碳源、硅源和氮源,在石墨烯层上成长一层SiCN作为第二缓冲层；或者在温度为500-900℃的条件下，向反应室通入铝源、铟源、镓源和氮源,在石墨烯层上成长一层AlInGaN作为第二缓冲层。
d、在温度为700-1100℃的条件下，分别控制通入有机金属源、镁源、硅源和氮源,在第二缓冲层上成长后续的外延结构层。
9.如权利要求8所述的一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于：在所述步骤a中，第一缓冲层靠近蓝石基板一侧硅成分控制在10％以下，而另一侧硅成分大于30％。
10.如权利要求8所述的一种发光二极管外延片的制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，所述金属源为三甲基镓、三乙基镓、三甲基铝或三甲基铟中一种或多种。
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