CN104393128B - 一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构及其制备方法，包括SiC衬底、二维衍生膜及氮化物外延层，所述二维衍生膜位于所述SiC衬底及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜附着在所述SiC衬底的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜上；其中，所述二维衍生膜由一层或两层以上的二维纳米片材料制成，所述二维纳米片材料包括石墨烯、硅烯、六方氮化硼和三碳化硼中的任意一种或两种以上的组合。本发明在氮化物LED外延层与SiC衬底之制作一层或两层以上的二维衍生薄膜，使其既能保证氮化物外延层生长的顺利进行，又可以在剥离过程有助于衬底与外延层的分离，极大地简化了剥离过程，提高了良率、降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构及其制备方法，属于光电子器件制造技术领域。
背景技术
使用氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1；纤锌矿晶体结构)半导体材料制作的发光二极管LED以其节能、环保、长寿命等优点逐渐在电子显示屏、景观照明、矿灯、路灯、液晶显示器背光源、普通照明、光盘信息存储、生物医药等领域展开广泛应用。上述化合物半导体可以覆盖从红外、可见到紫外光的全部光谱能量范围，而通过控制氮化物合金的阳离子组分可以准确地定制LED器件的发射波长。从应用领域范围、市场容量来看，又以氮化物LED的应用为大宗、主流，比如，以白光LED为应用代表的半导体照明行业。
制作氮化物LED时，首先在衬底上进行氮化物LED结构的外延膜层生长，然后进行芯片器件加工得到分离的器件单元，即芯片。在当前行业中，氮化物LED外延层生长的衬底主要有：蓝宝石、SiC和硅衬底。就氮化物LED外延层的晶体质量和LED器件的性能而言，SiC衬底的效果是最优的。
常见的外延生长方法包括：有机金属化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)、分子束外延(MBE)等。芯片器件加工主要是使用光刻、反应离子刻蚀(RIE)、电子束蒸镀(e-Beam)、磁控溅射(MS)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)等方法制作p、n型电极及介电保护层等。
氮化物LED器件有正装、倒装、垂直和薄膜芯片等类型。在大电流驱动、高光能密度输出、电光转换效率、热量管理等指标上，薄膜芯片结构具有明显的优势，因而成为业界竞相开发的热点产品。然而，薄膜芯片的制作工艺却比较困难，特别是衬底剥离工艺，不仅工艺参数多，而且过程一致性也较差。以在蓝宝石衬底上制作薄膜结构LED芯片为例，目前大多采用激光剥离的方法实现氮化物LED外延层与衬底的分离，而采用激光剥离方法存在可操作性差、良率低、设备昂贵的问题。此外，激光剥离方法还不适用于SiC基LED薄膜芯片的制作，因为激光剥离的激光波长会被SiC强烈吸收，而不会被蓝宝石吸收。而采用研磨衬底的办法来实现SiC基LED薄膜芯片的方法，会带来较大的成本消耗：一方面来自于对坚硬的SiC厚膜的研磨成本，另一方面，被磨掉的衬底随即被完全消耗，不可能被再次使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种简化剥离过程，提高良率、降低成本的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，包括SiC衬底、二维衍生膜及氮化物外延层，所述二维衍生膜位于所述SiC衬底及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜附着在所述SiC衬底的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜上；其中，所述二维衍生膜由一层或两层以上的二维纳米片材料制成，所述二维纳米片材料包括石墨烯、硅烯、六方氮化硼和三碳化硼中的任意一种或两种以上的组合。
本发明的有益效果是：
本发明在氮化物LED外延层与SiC衬底之制作一层或两层以上的二维衍生薄膜，使其既能保证氮化物外延层生长的顺利进行，又可以在剥离过程有助于衬底与外延层的分离，极大地简化了剥离过程，提高了良率、降低了成本。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述二维衍生膜的原子呈六角蜂窝状排布。
采用上述进一步的有益效果是，二维衍生膜的原子呈六角蜂窝状排布，可在其上进行具有纤锌矿晶体结构的氮化物LED外延层生长；二维衍生膜为氮化物外延层与SiC衬底之间的机械剥离工艺提供了便利条件，且机械剥离下的SiC衬底经过处理后还可以反复使用。
进一步，所述氮化物外延层由n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层构成，所述n型电子注入层附着在所述二维衍生膜上，所述n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层依次相连接。
进一步，所述n型电子注入层的厚度为0.1～20μm；所述有源层的厚度为1～2000nm；所述p型空穴注入层的厚度为0.05～5μm。
进一步，所述n型电子注入层包括一个以上的n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述n型子层分别进行n型掺杂，且n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。
进一步，所述有源层包括一个以上的薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述薄膜子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
进一步，所述p型空穴注入层包括一个以上的p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述p型子层分别进行p型掺杂；每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
一种上述使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的制备方法如下，
所述二维衍生膜的制备是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法或者物理气相沉积的方法直接在SiC衬底上进行生长；
所述氮化物外延层的制备方法包括有机金属化学气相沉积(MOCVD)、射频磁控溅射(RF-MS)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)或氢化物气相外延(HVPE)中的至少一种；
其中，
所述石墨烯是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法制得：
所述高温退火的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛的环境中，通过衬底表面硅原子的升华而实现石墨化进而得到石墨烯；
所述化学气相沉积的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入化学气相沉积系统中，在温度为1300～1800℃条件下同时通入氩气和碳氢化合物，在SiC衬底上生成石墨烯；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在SiC衬底上生成所述六方氮化硼；
所述三碳化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200-1800℃的条件下，同时通入碳氢化合物和硼氢化合物，在SiC衬底上生成所述三碳化硼；
所述硅烯是通过物理气相沉积的方法制得，具体步骤如下：通过物理加热或溅射方法使硅单质中的原子升华、气化，使其沉积在衬底表面，形成硅烯。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
一种上述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的制备方法如下，
所述二维衍生膜的制备是在金属衬底上使用化学气相沉积的方法或物理气相沉积的方法生长后再通过转移过程附着到SiC衬底的表面；
所述氮化物外延层的制备方法包括有机金属化学气相沉积(MOCVD)、射频磁控溅射(RF-MS)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)或氢化物气相外延(HVPE)中的至少一种；
其中，
所述石墨烯是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将金属衬底置入化学气相沉积系统中，在温度为800～1200℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在金属衬底上生成石墨烯；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为800～1200℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在金属衬底上生成所述六方氮化硼；
所述三碳化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为800～1200℃的条件下，同时通入碳氢化合物和硼氢化合物，在金属衬底上生成所述三碳化硼；
所述硅烯是通过物理气相沉积的方法制得，具体步骤如下：通过物理加热或溅射方法使硅单质中的原子升华、气化，使其沉积在金属衬底表面，形成硅烯。
进一步，所述转移过程具体步骤如下：先在制备好衍生膜的金属衬底上旋涂聚合物并固化，然后溶解掉金属衬底使衍生膜附着在聚合物形成的临时衬底上，最后将衍生膜转移到SiC衬底上并去掉聚合物临时衬底。
进一步，所述金属衬底的材质为Cu、Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh或Pd中的任意一种或两种以上的混合。
本发明的有益效果是：采用本发明所述的二维衍生膜进行氮化物LED外延层生长时，可以获得较高晶体质量的外延层；同时，在制作氮化物LED器件的工艺过程中可以有效地采用机械剥离方式实现SiC衬底和氮化物外延层之间的剥离。并且，剥离后的SiC衬底经处理后还可以反复使用。
附图说明
图1为本发明使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的结构示意图；
图2为本发明二维衍生膜的原子键结构的局部俯视示意图；
图3为本发明实施例一中所述氮化物LED外延结构示意图；
图4为实施例二中所述氮化物LED外延结构示意图；
图5为实施例三中所述氮化物LED外延结构示意图；
图6为实施例四中所述氮化物LED外延结构示意图；
图7为实施例五中所述氮化物LED外延结构示意图；
图8为实施例六中所述氮化物LED外延结构示意图；
图9为实施例七中所述氮化物LED外延结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，如图1、图2所示，包括SiC衬底100、二维衍生膜200及氮化物外延层，所述二维衍生膜200位于所述SiC衬底100及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜200附着在所述SiC衬底100的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜200上；其中，所述二维衍生膜200由一层或两层以上的二维纳米片材料制成，所述二维纳米片材料包括石墨烯、硅烯、六方氮化硼和三碳化硼中的任意一种或两种以上的组合。
所述二维衍生膜200的原子呈六角蜂窝状排布。
所述氮化物外延层由n型电子注入层301、有源层302和p型空穴注入层303构成，所述n型电子注入层301附着在所述二维衍生膜302上，所述n型电子注入层301、有源层302和p型空穴注入层303依次相连接。
所述n型电子注入层301的厚度为0.1～20μm；所述有源层302的厚度为1～2000nm；所述p型空穴注入层303的厚度为0.05～5μm。
所述n型电子注入层301包括一个以上的n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述n型子层分别进行n型掺杂，且n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。
所述有源层302包括一个以上的薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述薄膜子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
所述p型空穴注入层303包括一个以上的p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述p型子层分别进行p型掺杂；每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
上述使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的其中一制备方法如下：
所述二维衍生膜的制备是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法或者物理气相沉积的方法直接在SiC衬底上进行生长；所述氮化物外延层的制备方法包括有机金属化学气相沉积、射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或氢化物气相外延中的至少一种；其中，
所述石墨烯是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法制得：
所述高温退火的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛的环境中，通过衬底表面硅原子的升华而实现石墨化进而得到石墨烯；
所述化学气相沉积的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入化学气相沉积系统中，在温度为1300～1800℃条件下同时通入氩气和碳氢化合物，在SiC衬底上生成石墨烯；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在SiC衬底上生成所述六方氮化硼；
所述三碳化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃的条件下，同时通入碳氢化合物和硼氢化合物，在SiC衬底上生成所述三碳化硼；
所述硅烯是通过物理气相沉积的方法制得，具体步骤如下：通过物理加热或溅射方法使硅单质中的原子升华、气化，使其沉积在衬底表面，形成硅烯。
上述使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的另一制备方法如下：
所述二维衍生膜的制备是在金属衬底上使用化学气相沉积的方法或物理气相沉积的方法生长后再通过转移过程附着到SiC衬底的表面；所述氮化物外延层的制备方法包括有机金属化学气相沉积、射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或氢化物气相外延中的至少一种；其中，
所述石墨烯是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将金属衬底置入化学气相沉积系统中，在温度为800～1200℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在金属衬底上生成石墨烯；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为800～1200℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在金属衬底上生成所述六方氮化硼；
所述三碳化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为800～1200℃的条件下，同时通入碳氢化合物和硼氢化合物，在金属衬底上生成所述三碳化硼；
所述硅烯是通过物理气相沉积的方法制得，具体步骤如下：通过物理加热或溅射方法使硅单质中的原子升华、气化，使其沉积在金属衬底表面，形成硅烯。
所述转移过程具体步骤如下：先在制备好衍生膜的金属衬底上旋涂聚合物并固化，然后溶解掉金属衬底使衍生膜附着在聚合物形成的临时衬底上，最后将衍生膜转移到SiC衬底上并去掉聚合物临时衬底。
所述金属衬底的材质为Cu、Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh或Pd中的任意一种或两种以上的混合。
以下通过几个具体的实施例以对本发明进行具体的说明。
实施例1
如图3所示，在4H-SiC衬底101的表面上制作单层石墨烯201，作为二维衍生膜，然后在其上生长氮化物蓝光LED外延层。其中，n型电子注入层301的结构参数如下：2μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层302的结构参数如下：In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层303的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
其中，SiC基单层石墨烯201的制作方法如下：首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸4H-SiC衬底101备用。然后，将上述4H-SiC衬底101置入压强为750Torr的化学气相沉积(CVD)系统中，通入5sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1600℃，持续时间为15min。之后，将反应腔的压强降低至300Torr，将温度提高至1700℃，并通入20sccm的氩气，持续5min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，仅通入5sccm的氢气，让4H-SiC衬底101退火3min。这样，便实现了在4H-SiC衬底101的(0001)面上制作了具有准自支撑特征的单层石墨烯二维衍生膜201。
进一步地，使用MOCVD系统在此单层石墨烯衍生膜201上生长氮化物蓝光LED外延层：即先生长2μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
实施例2
如图4所示，在6H-SiC衬底102的表面上制作多层六方氮化硼(h-BN)衍生膜202，作为二维衍生膜，然后在其上生长氮化物绿光LED外延层。其中，n型电子注入层301的结构参数如下：2μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层302的结构参数如下：In0.3Ga0.7N/GaN多量子阱发光层，In0.3Ga0.7N和GaN的单层厚度分别为2nm和10nm，多量子阱的周期数为4；p型空穴注入层303的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
其中，SiC基多层h-BN衍生膜202的制作方法如下：首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸6H-SiC衬底102备用。然后，将上述6H-SiC衬底102置入压强为200mTorr的CVD系统中，通入5sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1100℃，持续时间为10min。之后，将反应腔的压强升高至400mTorr，温度保持不变，并通入300sccm的氨气和40sccm的硼烷，持续20min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，通入5sccm的氢气，让6H-SiC衬底102退火5min。如此便实现了在6H-SiC衬底102的(0001)面上制作多层h-BN衍生膜202。
进一步地，使用MOCVD系统在此多层h-BN衍生膜202上生长氮化物绿光LED外延层：即先生长2μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.3Ga0.7N(2nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为4；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
实施例3
如图5所示，在6H-SiC衬底102的表面上制作单层硅烯衍生膜203，作为二维衍生膜，然后在其上生长氮化物近紫外LED外延层。其中，n型电子注入层301的结构参数如下：2.5μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层302的结构参数如下：In0.05Ga0.95N/GaN多量子阱发光层，In0.05Ga0.95N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层303的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
SiC基硅烯衍生膜203的制作方法如下：首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸6H-SiC衬底102置入800℃高温炉中，通入5sccm的氢气，退火30min。然后，将上述6H-SiC衬底102置入压强为2×10-7mTorr的射频磁控溅射(RF-MS)系统中，使用高纯度(99.9999％)的多晶硅作为靶材，使6H-SiC衬底102的表面在室温条件下沉积上一层硅烯衍生膜203。此后，将附着有硅烯203的6H-SiC衬底102放入300mTorr的高温炉中，将加热温度升高到500℃，通入5sccm的氢气，并持续时间20min。如此便实现了在6H-SiC衬底102的(0001)面上制作了单层硅烯203。
进一步地，可以使用MBE系统在单层硅烯衍生膜203上生长氮化物近紫外LED外延层：即先生长2.5μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.05Ga0.95N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
实施例4
如图6所示，在6H-SiC衬底102的表面上制作多层三碳化硼(BC3)衍生膜204，作为二维衍生膜，然后在其上生长氮化物紫外LED外延层。其中，n型电子注入层301的结构参数如下：2μm厚的n型Al0.3Ga0.7N层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层302的结构参数如下：Al0.1In0.02Ga0.88N/Al0.2Ga0.8N多量子阱发光层，Al0.1In0.02Ga0.88N和Al0.2Ga0.8N的单层厚度分别为2nm和8nm，多量子阱的周期数为4；p型空穴注入层303的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.15μm厚的p型Al0.3Ga0.7N层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
SiC基多层BC3衍生膜204的制作方法如下：首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸6H-SiC衬底102备用。然后，将上述6H-SiC衬底102置入压强为200mTorr的CVD系统中，通入5sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1100℃，持续时间为8min。之后，将反应腔的压强升高至300mTorr，温度保持不变，并通入50sccm的硼烷和60sccm的丙烷，持续20min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，通入10sccm的氢气，让6H-SiC衬底102退火10min。如此便实现了在6H-SiC衬底102的(0001)面上制作了多层BC3衍生膜204。
此后，进一步地，使用MOCVD系统在此多层BC3衍生膜204上生长氮化物紫外LED外延层：即先生长2μm厚的n型Al0.3Ga0.7N层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长Al0.1In0.02Ga0.88N(2nm)/Al0.2Ga0.8N(8nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为4；接着生长0.2μm厚的p型Al0.3Ga0.7N层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
实施例5
如图7所示，在4H-SiC衬底101的表面上制作两组衍生膜：第一组为多层石墨烯衍生膜201；第二组为多层h-BN衍生膜202。这两组衍生膜共同构成了此实施例情况下的二维衍生膜结构，然后在其上生长氮化物蓝光LED外延层。其中，n型电子注入层301的结构参数如下：2μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层302的结构参数如下：In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层303的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
具体方法如下：
第一步，制作多层石墨烯201。首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸4H-SiC衬底101备用。然后，将上述4H-SiC衬底101置入压强为750Torr的CVD系统中，通入5sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1600℃，持续时间为15min。之后，将反应腔的压强降低至300Torr，将温度提高至1700℃，并通入20sccm的氩气，持续25min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，并通入10sccm的氢气，让4H-SiC衬底101退火15min。这样，便实现了在4H-SiC衬底101的(0001)面上制作了多层石墨烯衍生膜201。
第二步，在多层石墨烯201上生长多层h-BN。首先，将第一步所述已制备完多层石墨烯衍生膜201的4H-SiC衬底101置入压强为400mTorr的CVD系统中，并将反应室的温度加热到1100℃，同时通入300sccm的氨气和40sccm的硼烷，持续15min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，并通入5sccm的氢气，让4H-SiC衬底101退火5min。如此便实现了在多层石墨烯衍生膜201上制作了多层h-BN衍生膜202。
进一步地，使用MOCVD系统在多层h-BN衍生膜202上继续生长氮化物蓝光LED外延层：即先生长2μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
实施例6
如图8所示，在4H-SiC衬底101的表面上制作两组衍生膜：第一组多层h-BN衍生膜202；第二组为为单层石墨烯衍生膜201。这两组衍生膜共同构成了此实施例情况下的二维衍生膜结构，然后在其上生长氮化物蓝光LED外延层。其中，n型电子注入层301的结构参数如下：2μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层302的结构参数如下：In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层303的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
具体方法如下：
第一步，在4H-SiC衬底101上制作多层h-BN。首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸4H-SiC衬底101备用。然后，将上述4H-SiC衬底101置入压强为750Torr的CVD系统中，通入5sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1600℃，持续时间为15min。然后，将反应腔的压强降低至400mTorr，温度降低至1100℃，并同时通入300sccm的氨气和40sccm的硼烷，持续15min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，通入5sccm的氢气，让4H-SiC衬底101退火5min。如此便实现了在4H-SiC衬底101上制作了多层h-BN衍生膜202。
第二步，制作单层石墨烯201。首先将4英寸晶圆大小的铜薄片放入压强为300mTorr的CVD系统中，并加热到1000℃，并同时2sccm的氢气和40sccm的甲烷；上述加热过程持续15min后开始降温，降温的速率约为100℃/min，并且保持氢气和甲烷的流量不变。之后，将生长完单层石墨烯201的铜薄片从CVD系统中取出后旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。紧接着，将旋涂完PMMA的铜薄片放入过硫酸钠溶液中，金属铜薄片将发生溶解，而石墨烯层201附着在PMMA支撑层上。此后，再把单层石墨烯衍生膜201转移到已生长完多层h-BN衍生膜的4英寸4H-SiC衬底上，并用丙酮去除PMMA支撑层。这样，单层石墨烯201被转移到了多层h-BN衍生膜上。最后，将覆盖有多层h-BN衍生膜202和单层石墨烯201的4H-SiC衬底置入300℃的退火炉中，在氮气气氛中加热2min，并进行快速退火处理。
进一步地，使用MOCVD系统在多层h-BN2衍生膜202和单层石墨烯衍生膜201共同组成的衍生膜上继续生长氮化物蓝光LED外延层：即先生长2μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
实施例7
如图9所示，在6H-SiC衬底102的表面上制作一系列衍生膜，该系列衍生膜由3个周期的复合衍生膜构成，而每个周期的复合衍生膜又由两组构成：第一组为多层石墨烯衍生膜201；第二组为多层h-BN衍生膜202；这3个周期共计6组的衍生膜共同构成了此实施例情况下的二维衍生膜，然后在其上生长氮化物蓝光LED外延层。其中，n型电子注入层301的结构参数如下：2μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层302的结构参数如下：In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层303的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
制作单个周期衍生膜的具体方法如下：
第一步，在6H-SiC衬底102上制作多层石墨烯201。首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸6H-SiC衬底102备用。然后，将上述6H-SiC衬底102置入压强为100mTorr的CVD系统中，通入3sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1600℃，持续时间为10min。之后，将反应腔的压强升高至300mTorr，温度保持不变，并通入10sccm的氩气和40sccm的丙烷，持续20min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至800℃，通入5sccm的氢气，让6H-SiC衬底退火5min。如此便实现了在6H-SiC衬底102的(0001)面上制作了多层石墨烯衍生膜201。
第二步，在多层石墨烯衍生膜201上制作多层h-BN衍生膜202。首先，将上述已制备完多层石墨烯衍生膜的6H-SiC衬底102置入CVD系统中，调节反应腔的压强为400mTorr，温度升高至1100℃，并同时通入300sccm的氨气和40sccm的硼烷，持续15min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，通入5sccm的氢气，让4H-SiC衬底101退火5min。如此便完成了在多层石墨烯衍生膜201上制作多层h-BN衍生膜202。
如此反复进行3个循环，便可得到3个周期共计6组的衍生膜。
进一步地，使用MOCVD系统在此多周期结构的多层石墨烯衍生膜201和多层h-BN衍生膜202共同组成的衍生膜上继续生长氮化物蓝光LED外延层：即先生长2μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
为避免对众多结构参数、工艺条件作冗余描述，本实施例仅对其中个别变化因素进行了举例。通过对其它结构或工艺变化因素的调整亦能达到类似的效果，在此不作一一列举。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的制备方法，所述使用SiC衬底的氮化物LED外延结构包括SiC衬底、二维衍生膜及氮化物外延层，所述二维衍生膜位于所述SiC衬底及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜附着在所述SiC衬底的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜上；其中，所述二维衍生膜由一层或两层以上的二维纳米片材料制成，所述二维纳米片材料包括石墨烯、硅烯、六方氮化硼和三碳化硼中的任意一种或两种以上的组合，其特征在于：所述二维衍生膜的制备是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法或者物理气相沉积的方法直接在SiC衬底上进行生长；然后在所述二维衍生膜的表面上制备所述氮化物外延层，所述氮化物外延层的制备方法包括有机金属化学气相沉积、射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或氢化物气相外延中的至少一种；其中，
所述石墨烯是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法制得：
所述高温退火的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛的环境中，通过衬底表面硅原子的升华而实现石墨化进而得到石墨烯；
所述化学气相沉积的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入化学气相沉积系统中，在温度为1300～1800℃条件下同时通入氩气和碳氢化合物，在SiC衬底上生成石墨烯；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在SiC衬底上生成所述六方氮化硼；
所述三碳化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃的条件下，同时通入碳氢化合物和硼氢化合物，在SiC衬底上生成所述三碳化硼；
所述硅烯是通过物理气相沉积的方法制得，具体步骤如下：通过物理加热或溅射方法使硅单质中的原子升华、气化，使其沉积在衬底表面，形成硅烯。
2.根据权利要求1所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述二维衍生膜的原子呈六角蜂窝状排布。
3.根据权利要求1或2所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述氮化物外延层由n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层构成，所述n型电子注入层附着在所述二维衍生膜上，所述n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层依次相连接。
4.根据权利要求3所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述n型电子注入层的厚度为0.1～20μm；所述有源层的厚度为1～2000nm；所述p型空穴注入层的厚度为0.05～5μm。
5.根据权利要求4所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述n型电子注入层包括一个以上的n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述n型子层分别进行n型掺杂，且n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述有源层包括一个以上的薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述薄膜子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述p型空穴注入层包括一个以上的p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述p型子层分别进行p型掺杂；每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
8.一种使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的制备方法，所述使用SiC衬底的氮化物LED外延结构包括SiC衬底、二维衍生膜及氮化物外延层，所述二维衍生膜位于所述SiC衬底及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜附着在所述SiC衬底的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜上；其中，所述二维衍生膜由两层以上的二维纳米片材料制成，所述二维纳米片材料包括石墨烯、硅烯、六方氮化硼和三碳化硼中的任意一种或两种以上的组合，其特征在于：所述二维衍生膜的一部分通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法或者物理气相沉积的方法直接在SiC衬底上进行生长；所述二维衍生膜的另一部分的制备是在金属衬底上使用化学气相沉积的方法或物理气相沉积的方法生长后再通过转移过程附着到所述SiC衬底上生长的所述二维衍生膜的一部分的表面上，形成完整的二维衍生膜；然后在所述二维衍生膜的表面上制备所述氮化物外延层，所述氮化物外延层的制备方法包括有机金属化学气相沉积、射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积或氢化物气相外延中的至少一种；其中，
在所述SiC衬底上直接生长所述二维衍生膜的一部分的过程中，所述石墨烯是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法制得：
所述高温退火的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛的环境中，通过衬底表面硅原子的升华而实现石墨化进而得到石墨烯；
所述化学气相沉积的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入化学气相沉积系统中，在温度为1300～1800℃条件下同时通入氩气和碳氢化合物，在SiC衬底上生成石墨烯；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在SiC衬底上生成所述六方氮化硼；
所述三碳化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃的条件下，同时通入碳氢化合物和硼氢化合物，在SiC衬底上生成所述三碳化硼；
所述硅烯是通过物理气相沉积的方法制得，具体步骤如下：通过物理加热或溅射方法使硅单质中的原子升华、气化，使其沉积在衬底表面，形成硅烯；
在所述金属衬底上制备所述二维衍生膜的另一部分的过程中，所述石墨烯是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将金属衬底置入化学气相沉积系统中，在温度为800～1200℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在金属衬底上生成石墨烯；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为800～1200℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在金属衬底上生成所述六方氮化硼；
所述三碳化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为800～1200℃的条件下，同时通入碳氢化合物和硼氢化合物，在金属衬底上生成所述三碳化硼；
所述硅烯是通过物理气相沉积的方法制得，具体步骤如下：通过物理加热或溅射方法使硅单质中的原子升华、气化，使其沉积在金属衬底表面，形成硅烯。
9.根据权利要求8所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述转移过程具体步骤如下：先在制备好所述二维衍生膜的另一部分的金属衬底上旋涂聚合物并固化，然后溶解掉所述金属衬底使所述二维衍生膜的另一部分附着在所述聚合物形成的临时衬底上，最后将所述二维衍生膜的另一部分转移到所述SiC衬底上生长的所述二维衍生膜的一部分上，并去掉所述临时衬底。
10.根据权利要求8所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构的制备方法，其特征在于：所述金属衬底的材质为Cu、Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh或Pd中的任意一种或两种以上的混合。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述二维衍生膜的原子呈六角蜂窝状排布。
12.根据权利要求8-10中任一项所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述氮化物外延层由n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层构成，所述n型电子注入层附着在所述二维衍生膜上，所述n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层依次相连接。
13.根据权利要求12所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述n型电子注入层的厚度为0.1～20μm；所述有源层的厚度为1～2000nm；所述p型空穴注入层的厚度为0.05～5μm。
14.根据权利要求13述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述n型电子注入层包括一个以上的n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述n型子层分别进行n型掺杂，且n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。
15.根据权利要求13所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述有源层包括一个以上的薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述薄膜子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
16.根据权利要求13所述的使用SiC衬底的氮化物LED外延结构，其特征在于：所述p型空穴注入层包括一个以上的p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述p型子层分别进行p型掺杂；每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
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