[發明專利]生長在硅/石墨烯復合襯底上的GaN基納米柱LED外延片及其制備方法

在審

• 申請號: 201810702976.1
• 申請日: 2018-06-30
• 公開（公告）號: CN108807617A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 高芳亮;李國強;張曙光;徐珍珠;余粵鋒
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01L33/04
• 分類號: H01L33/04;H01L33/06;H01L33/08;H01L33/20;H01L33/24;H01L33/32;H01L33/00;H01L21/02;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;馮振寧

本發明公開了生長在硅/石墨烯復合襯底上的GaN基納米柱LED外延片及其制備方法，包括生長在硅/石墨烯復合襯底上的非摻雜GaN納米柱，生長在非摻雜GaN納米柱上的n型摻雜GaN層，長在n型摻雜GaN層上的InGaN/GaN量子阱，生長在InGaN/GaN量子阱上的p型摻雜GaN層。本發明的制備方法具有生長工藝簡單，制備成本低廉的優點，且制備的LED外延片缺陷密度低、結晶質量好，電學、光學性能好。

技術領域

本發明涉及LED外延片領域，特別涉及生長在硅/石墨烯復合襯底上的GaN基納米柱LED外延片及其制備方法。

背景技術

發光二極管(LED)作為一種新型的固態照明光源和綠色光源，具有節能、環保、體積小、用途廣泛和使用壽命長等突出特點，在室外照明、商業照明以及軍事照明等領域都具有廣泛的應用。當前，在全球氣候變暖問題日趨嚴峻的背景下，節約能源、減少溫室氣體排放成為全世界面臨的重要問題。以低能耗、低污染、低排放為基礎的低碳經濟，是經濟發展的重要方向。在照明領域，LED作為一種新型的綠色固態照明產品，是未來發展的趨勢。但是現階段LED要向高效節能環保的方向發展，其發光效率仍有待于進一步提高。

GaN及III-族氮化物由于寬禁帶、穩定的物理化學性質、高的熱導率和高的電子飽和速度等優點，廣泛應用于發光二極管(LED)、激光器和光電子器件等方面。與其他寬禁帶半導體材料相比，GaN材料除具有上述優點外，其納米級的材料在量子效應、界面效應、體積效應、尺寸效應等方面還表現出更多新穎的特性。

Si襯底因其具有晶圓尺寸大、成本低廉、易剝離等優點，成為全球LED供應商積極投入研發的襯底材料之一。不過，目前在Si襯底上制備GaN薄膜的質量不如藍寶石襯底上制備的GaN單晶薄膜，主要有以下原因：首先，Si與GaN的晶格失配度很大(-16.9％)，會使GaN外延層出現大量的位錯；其次，Si的熱膨脹系數為2.59×10^-6K^-1，與GaN熱失配高達54％，這樣會導致在外延膜中產生巨大的張應力，從而更容易引起外延膜的龜裂。因此迫切尋找一種合適的方法以在Si襯底上生長出高質量的GaN外延層。

GaN納米材料因“尺寸效應”產生了一系列新穎特性，使得它在基本物理科學和新型技術應用方面有著巨大的前景，已成為當前研究的熱點。而GaN納米柱結構更是在制備納米范圍發光器件LED上表現出了更加優異的性能。

與此同時，石墨烯具有非常好的熱傳導性能，純的無缺陷的單層石墨烯的導熱系數高達5300W/mK，是目前為止導熱系數最高的碳材料。此外，石墨烯具有優異的光學、電學、力學等特性，因此，在Si襯底上復合石墨烯作為生長襯底，進行InGaN/GaN多量子阱納米柱的生長，有助于進一步擴展氮化物納米柱的應用前景。

發明內容

為了克服現有技術的上述缺點與不足，本發明的目的在于提供生長在硅/石墨烯復合襯底上的GaN基納米柱LED外延片及其制備方法，該方法具有生長工藝簡單，制備成本低廉的優點，且制備的LED外延片具有缺陷密度低、結晶質量好，發光性能優良的優點。同時，通過調節工藝參數在硅/石墨烯復合襯底上生長出不同直徑的納米柱，在該生長了GaN納米柱的硅/石墨烯復合襯底上制備的LED外延片發出不同顏色的光，可用于制備芯片級封裝白光LED。

本發明的目的通過以下技術方案實現。

生長在硅/石墨烯復合襯底上的GaN基納米柱LED外延片，包括硅/石墨烯復合襯底10、生長在硅/石墨烯復合襯底上的非摻雜GaN納米柱11、生長在非摻雜GaN納米柱上的n型摻雜GaN層12、生長在n型摻雜GaN層上的InGaN/GaN量子阱13和生長在InGaN/GaN量子阱上的p型摻雜GaN層14。

優選的，所述非摻雜GaN納米柱的高度為300～900nm，直徑為30～100nm，為接下來外延生長高質量n型摻雜GaN層奠定基礎。