專利名稱：一種以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構及其制備方法，屬于光電子技術領域。
背景技術：
氮化鎵材料作為一種新型的半導體材料收到了越來越多的關注。作為第三代半導體的代表性材料，氮化鎵具有優異的電學和光學性質，其具有較寬帶隙、直接帶隙的優點，耐高溫高壓，適合應用于條件惡劣的環境中。氮化鎵材料的主要用途為發光二極管(LED) 和高電子遷移率晶體管。氮化鎵基發光二極管可實現從紫外到紅光的波長變化，覆蓋了整個可見光波段，尤其是氮化鎵藍色發光二極管的商品化，帶動了半導體照明領域的發展。目前，發光二極管廣泛應用于交通信號燈、全色顯示、液晶屏幕背光板、汽車儀表及內裝燈等。近些年來，紫外發光二極管進入市場，主要用于生物粒子的探測(如吸收范圍在260-340nm的細菌芽孢的探測)、空氣和水的純化、醫療和診斷等。與一般的發光二極管相比，紫外發光二極管對材料的質量要求更高。由于氮化鎵材料單晶的獲取非常困難，成本也很高，因此目前氮化鎵材料一般生長在異質襯底上(藍寶石、碳化硅、硅等)。在異質襯底上生長材料需要解決襯底與外延層之間的成核問題，由于材料之間存在晶格常數和潤濕性的差異，異質外延需要通過緩沖層來實現。緩沖層可以起到緩解襯底和外延層之間晶格失配的作用，同時可以起到潤濕的作用，有效改善外延材料的晶體質量。但是緩沖層的存在只能緩解一部分晶格失配，實際生長的氮化鎵外延材料仍然具有較高密度的位錯。中外專利文獻中都曾提到采用與外延氮化鎵層的性質相對接近的材料來解決晶格失配的問題日本專利 JP7312350《CRYSTAL GROWTH METHOD OF GALLIUM NITRIDE-BASEDCOMPOUND SEMICONDUCTOR)),該專利公開了一種在藍寶石襯底上利用鋁鎵氮緩沖層外延氮化鎵的方法，該緩沖層采用金屬有機物化學氣相沉積方法生長，可以獲得鏡面的高質量氮化嫁材料；美國專利US6495867《InGaN/AlGaN/GaN Mutilayer Buffer For Growth Of GaNOn Sapphire))公開了一種復合緩沖層的結構，其采用銦鎵氮、鋁鎵氮、氮化鎵的復合緩沖層來降低藍寶石與氮化鎵之間的失配度；中國專利CN1505843《在SiC襯底上形成的GaN基LED》，該專利公開了一種在SiC襯底上以AlGaN材料為主的復雜緩沖層的結構及制備方法，該方法解決了碳化硅襯底上外延氮化鎵時的材料潤濕性差的問題。上述的幾個專利所采用的技術手段雖然可以緩解晶格失配，但是卻不能緩和襯底與外延材料之間的應力與熱膨脹系數失配。因此，在外延生長時，會由于存在較大的應力導致外延晶體質量有所降低，甚至出現裂紋。CN101385126A提出一種包括外延生長在單晶襯底上的石墨烯層的器件，具體記載到如在石墨烯上制備器件，那么該器件的晶格失配與石墨烯一定要非常小，即晶格失配小于約2%。在其實施例中給出所述具有與石墨烯基本晶格匹配的材料是多層六邊形BN。本申請引用該專利文獻的全文作為現有技術。
發明內容
本發明針對現有在緩沖層上外延生長GaN的不足，提出了一種在SiC襯底上以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構。本發明還提出一種在SiC襯底上以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構的制備方法，不但降低了外延材料的應力，而且提高了外延晶體質量。
本發明還提出一種含石墨烯緩沖層的GaN基LED。本發明的技術方案如下一種以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構，包括緩沖層和GaN層，所述的緩沖層為石墨烯層，石墨烯層生長在碳化硅襯底上，在石墨烯層和GaN層之間插有氮化物薄層，所述外延GaN的結構自下而上依次是襯底、石墨烯層、氮化物薄層和GaN層。根據本發明，所述石墨烯層的層數1-50層；優選的，石墨烯層的層數為1-30層。根據本發明，所述GaN層的厚度為2 μ m-8 μ m ;優選的，GaN層的厚度為6 μ m-8 μ m。根據本發明，所述氮化物薄層厚度為10_300nm，進一步優選如下所述氮化物薄層為鋁鎵氮薄層，厚度為10-200nm;優選的，鋁鎵氮薄層厚度為IOOnm0所述氮化物薄層為銦鎵氮薄層，厚度為20-300nm;優選的，銦鎵氮薄層厚度為150nmo根據本發明，所述的襯底層的厚度為200-1000 μ m ;優選的，襯底層的厚度為500-700 μ mD本發明的外延GaN的結構以石墨烯作為柔性緩沖層不但降低了 GaN外延層的應力，而且提高了外延晶體的質量。采用鋁鎵氮或銦鎵氮薄層的過渡，降低了因GaN層的晶格失配與石墨烯層相差較大(約20% )而帶來的GaN層外延生長的難度。一種以石墨烯作為緩沖層在碳化硅襯底上外延生長GaN的方法，包括，I)在碳化硅襯底層上制備石墨烯層；2)在石墨烯層上生長一層氮化物薄層；3)在氮化物薄層上采用金屬有機物化學氣相沉積法生長GaN層，生長速率為
O.5 μ m/h 6 μ m/h,生長溫度為900_1200°C，厚度為2 μ m_8 μ m,使用的載氣為氮氣和氫氣
混合氣。上述GaN層的厚度為2 μ m_8 μ m ;優選GaN層的厚度為6 μ m_8 μ m ；上述氮化物薄層為鋁鎵氮薄層或銦鎵氮薄層；其中，所述鋁鎵氮薄層厚度為10nm-200nm，優選的鋁鎵氮薄層厚度約為lOOnm，生長溫度為500°C -1000°C，生長速率范圍為lnm/min-100nm/min,使用的載氣為氮氣和氫氣混合氣；所述銦鎵氮薄層的厚度為20-300nm，優選的銦鎵氮薄層厚度約為150nm，生長溫度為300°C _700°C，生長速率范圍為
O.lnm/min-60nm/min ;使用的載氣為氮氣和氫氣混合氣。以上方法中所用的載氣中氮氣和氫氣混合氣的體積比為(I 5) (5 I)，包括氮化物薄層和GaN層的生長。上述步驟I)中在襯底層上制備石墨烯層的方法是物理氣相沉積法，該方法是將襯底層放進高真空的高頻加熱爐內，將溫度加熱至1400-1800°C進行石墨烯生長。上述方法作為公知技術引用作為參考。一種含石墨烯緩沖層的GaN基LED，包括本發明的外延GaN的結構，包括自下而上的碳化硅襯底、石墨烯層、氮化物薄層和GaN層。所述含石墨烯緩沖層的GaN基LED的制備，包括在上述GaN層上繼續外延生長N型GaN、InGaN/GaN多量子阱有源區、P型AlGaN和P型GaN，之后分別制備P、N電極，最終制得GaN基LED。與現有技術相比，本發明的優良效果在于I)本發明通過采用石墨烯層作為碳化硅襯底與GaN外延層之間的緩沖層，以獲得低應力、高質量的GaN外延層，降低LED器件的次品率，提高LED器件的質量、延長使用周
期。 2)本發明生長的GaN外延層具有較低密度的位錯，從而提高在其基礎上制備的發光二極管的亮度或者提高在其基礎上制備的高電子遷移率晶體管的遷移率，降低器件的漏電流。3)本發明所述的制備方法，有效地緩解了襯底層與GaN層之間的晶格失配和熱膨脹系數失配的問題。4)本發明在GaN層的晶格失配與石墨烯層相差約20%的情況下，通過鋁鎵氮或銦鎵氮薄層的過渡，降低GaN層外延生長的難度。
圖I是本發明的外延GaN的結構示意圖；其中，I、碳化硅襯底層；2、石墨烯層；3、鋁鎵氮或銦鎵氮薄層(氮化物薄層)；4、GaN層。圖2是本發明實施例I的外延GaN的結構的分別在X光(002)半峰寬由240秒降低至160秒時的歸一化光強分布圖。
具體實施例方式下面結合實施例和說明書附圖對本發明進行詳細的說明，但不限于此。實施例I、一種以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構，包括碳化硅襯底I、石墨烯層2和GaN層4 ;在石墨烯層2和GaN層4之間設置有鋁鎵氮薄層3 ;在碳化硅襯底I上依次是石墨烯層2、鋁鎵氮薄層3和GaN層。所述的碳化硅襯底I的厚度為600 μ m ;所述石墨烯層的厚度為IOnm,層數為30層；所述GaN層4的厚度為6 μ m :所述招鎵氮薄層3的厚度為lOOnm。實施例2、一種實施例I所述結構的制備方法，步驟如下I)對碳化硅襯底進行清潔，在襯底上采用物理氣相沉積法制備石墨烯層，將襯底放進高真空的高頻加熱爐內，碳化硅襯底的厚度為600 μ m，將溫度加熱至1500°C按現有技術進行石墨烯生長，石墨烯層的厚度為IOnm;2)在步驟I)中所形成的石墨烯層上生長一層鋁鎵氮薄層3，所述鋁鎵氮薄層3厚度為lOOnm，生長溫度為900°C，生長速率范圍為30nm/min，使用的載氣為氮氣和氫氣I : I體積比混合氣；
3)在鋁鎵氮薄層3上采用金屬有機物化學氣相沉積法生長GaN層4，生長速率為
2μ m/h,生長溫度為1000°C,厚度為6 μ m,使用的載氣為氮氣和氫氣I : I體積比的混合氣。使用上述方法生長的GaN層4，經測試，其X光(002)半峰寬由240秒降低至160秒，晶體質量提聞明顯。如圖2所不。實施例3、—種以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構，包括碳化硅襯底I、石墨烯層2和GaN層4 ;在石墨烯層2和GaN層4之間設置有銦鎵氮薄層3 ;在碳化硅襯底I上依次是石墨烯層2、銦鎵氮薄層3和GaN層。所述的碳化硅襯底I的厚度為500 μ m ;所述石墨烯層的厚度為IOnm ;所述GaN層4的厚度為8 μ m :所述銦鎵氮薄層3的厚度為150nm。 實施例4、—種含石墨烯緩沖層的GaN基LED，包括自下而上的襯底、石墨烯層、氮化物薄層和GaN層。如實施例I所述。在上述GaN層上繼續外延生長N型GaN、InGaN/GaN多量子阱有源區、P型AlGaN和P型GaN，之后分別制備P、N電極，按現有技術制得GaN基LED。
權利要求
1.一種以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構，包括緩沖層和GaN層，所述的緩沖層為石墨烯層，石墨烯層生長在碳化硅襯底上，在石墨烯層和GaN層之間插有氮化物薄層，所述外延GaN的結構自下而上依次是襯底、石墨烯層、氮化物薄層和GaN層。
2.如權利要求I所述的外延GaN的結構，其特征在于，所述石墨烯層的層數1-50層；優選的，石墨烯層的層數為1-30層。
3.如權利要求I所述的外延GaN的結構，其特征在于，所述GaN層的厚度為2μ m_8 μ m ;優選的，GaN層的厚度為6 μ m_8 μ m。
4.如權利要求I所述的外延GaN的結構，其特征在于，所述氮化物薄層為鋁鎵氮薄層，厚度為10-200nm ;優選的，鋁鎵氮薄層厚度為lOOnm。
5.如權利要求I所述的外延GaN的結構，其特征在于，所述氮化物薄層為銦鎵氮薄層，厚度為20-300nm ;優選的，銦鎵氮薄層厚度為150nm。
6.如權利要求I所述的外延GaN的結構，其特征在于，所述的襯底層的厚度為200-1000 μ m ;優選的，襯底層的厚度為500-700 μ m。
7.—種權利要求I所述結構的制備方法，其特征在于，步驟如下 1)在襯底上制備石墨稀層； 2)在石墨烯層上生長一層氮化物薄層； 3)在氮化物薄層上采用金屬有機物化學氣相沉積法生長GaN層，生長速率為O.5 μ m/h 6 μ m/h,生長溫度為900-1200°C，厚度為2 μ m_8 μ m,使用的載氣為氮氣和氫氣混合氣。
8.如權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述GaN層的厚度為2μ m-8 μ m ;優選為6 μ m-8 μ m ;所述氮化物薄層為鋁鎵氮薄層或銦鎵氮薄層；其中， 所述鋁鎵氮薄層厚度為10nm-200nm，優選的鋁鎵氮薄層厚度約為lOOnm，生長溫度為5000C -1000°C，生長速率范圍為lnm/min-100nm/min，使用的載氣為氮氣和氫氣混合氣； 所述銦鎵氮薄層的厚度為20-300nm，優選的銦鎵氮薄層厚度約為150nm，生長溫度為3000C _700°C，生長速率范圍為O. lnm/min-60nm/min ;使用的載氣為氮氣和氫氣混合氣。
9.如權利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述載氣中氮氣和氫氣混合氣的體積比為(I 5) (5 I)。
10.一種含權利要求I所述外延GaN的結構的GaN基LED，其特征在于，包括在上述GaN層上繼續外延生長N型GaN、InGaN/GaN多量子阱有源區、P型AlGaN和P型GaN，之后分別制備P、N電極，最終制得GaN基LED。
全文摘要
本發明涉及一種以石墨烯作為緩沖層外延GaN的結構和制備方法，本發明通過采用石墨烯層作為襯底與氮化鎵外延層之間的緩沖層，在石墨烯層和GaN層之間插有氮化物薄層，以獲得低應力、高質量的氮化鎵外延層，降低LED器件的次品率，提高LED器件的質量、延長使用周期。本發明有效地緩解了襯底與氮化鎵之間的晶格失配和熱膨脹系數失配的難題。
文檔編號C30B25/18GK102769081SQ201110112819
公開日2012年11月7日 申請日期2011年5月3日 優先權日2011年5月3日
發明者徐現剛, 曲爽, 李樹強, 王成新, 邵慧慧 申請人:山東華光光電子有限公司