CN110323308A - 一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构led的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法。本发明通过在单晶金属衬底上表面引入高晶体质量的、具有六方晶体结构对称性的石墨烯阻挡层，利用石墨烯阻挡层的层内强共价键阻挡单晶金属衬底与氮化物LED的界面反应和金属原子的扩散，利用石墨烯阻挡层的层间弱分子力结合弛豫金属衬底和氮化物LED结构的晶格失配和热失配，通过表面活化处理石墨烯阻挡层提供氮化物LED的成核位点，进而得到高晶体质量、高发光效率的大功率氮化物垂直结构LED；本发明具有简化氮化物垂直结构LED制备工艺、提高氮化物LED的晶体质量和发光效率、提高氮化物LED散热能力、成本低、成品率高、设备简单易操作、适合产业化生产等优点。

Description

一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法
技术领域
本发明涉及氮化物LED的制备技术，具体涉及一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法。
背景技术
氮化物发光二极管(light emitting diode)通过对PN结施加电压，导致载流子复合发光，是氮化物半导体材料在光电器件领域的一种重要应用，具有工作电压低、发光效率高、节能环保、可靠耐用等优点，在固态照明、大屏显示、航空航天等领域具有广阔的应用前景。
现有氮化物LED主要采用异质外延方式，采用正装结构、倒装结构和垂直结构三种芯片设计。正装结构和倒装结构都是异质外延衬底上制备的水平结构，电极分布在LED芯片的同一侧，具有工艺成本低、应用广泛的优势，但也存在电流分布不均匀、出光效率低、散热能力差等严重问题。垂直结构LED是将氮化物LED结构直接外延或转移到散热性好的导电衬底或金属衬底上，电极分布在LED上下两侧，该结构充分利用多量子阱有源区，改善电流分布情况，提高LED芯片散热能力，是一种制备大功率氮化物LED的有效途径。
目前，大功率垂直结构氮化物LED的制备方案主要有非金属导电衬底的直接外延法、金属衬底上的转移法。前者主要采用导电的Si或者SiC衬底，存在氮化物LED外延工艺不成熟、衬底吸收损耗大等问题。后者主要采用异质非金属衬底上氮化物LED的激光剥离、键合和电镀工艺，将氮化物LED转移到金属衬底上，存在金属镀层表面粗糙、实验条件苛刻、工艺参数复杂等问题。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，通过对石墨烯阻挡层的厚度调控和活化处理，抑制单晶金属衬底上高温外延制备氮化物LED结构时严重的界面反应和金属原子扩散问题，提高氮化物LED晶体质量和发光效率，弛豫单晶金属衬底和氮化物LED结构降温过程中的热失配，避免降温过程中氮化物LED外延片开裂，从而获得高质量、高发光效率、高散热能力的大功率氮化物垂直结构LED外延片。
本发明的利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，包括以下步骤：
1)提供具有六方晶体结构对称性的单晶金属衬底，化学清洗后在还原性气氛中高温处理单晶金属衬底，除去单晶金属衬底的表面氧化层，获得表面洁净的单晶金属衬底；
2)采用化学气相沉积或者薄膜转移技术在单晶金属衬底的上表面形成具有六方晶体结构对称性的多层石墨烯层，多层石墨烯层完全覆盖金属衬底的上表面，利用快速降温方式使得多层石墨烯层的表面形成褶皱，从而在单晶金属衬底上形成石墨烯阻挡层；
3)采用薄膜沉积技术在单晶金属衬底的下表面和侧壁沉积化学性质稳定并且耐高温的金属，从而形成金属阻挡层，抑制单晶金属衬底高温外延时金属原子的扩散行为，保护反应腔室，避免外延后续结构时金属原子非故意并入；
4)活化处理石墨烯阻挡层，形成在面内的C-N键和在表面的悬挂键，增加氮化物LED成核生长所需的成核位点，然后恢复石墨烯阻挡层在活化过程受到的结构损伤；
5)采用薄膜沉积技术，在石墨烯阻挡层上沉积n型电子注入层；
6)采用薄膜沉积技术，在n型电子注入层上制备多量子阱层、电子阻挡层、p型空穴注入层和p型接触层，获得氮化物垂直结构LED外延片。
在步骤1)中，氮化物LED的器件性能，很大程度上依赖于氮化物单晶薄膜的晶体质量。高质量、六方晶体结构对称性的氮化物单晶薄膜的制备，需要在具有六方晶体结构对称性的单晶金属衬底上进行。如果采用多晶或者非晶衬底，制备的氮化物单晶薄膜晶体质量差，缺陷密度高，会在氮化物LED结构中引入大量的非辐射复合中心，降低氮化物LED的发光效率。同时，氮化物LED的散热能力决定了其在大功率条件下的功率密度、工作温度、寿命等关键性能参数，是决定大功率氮化物LED的关键因素。氮化物LED的散热能力主要取决于衬底材料，常规的非金属衬底如蓝宝石Al2O3，热导率低，散热能力差，不利于氮化物LED的散热能力。单晶铜Cu、镍Ni及其合金不但具有导热性高、制备工艺成熟、易于商业化、成本低廉等优点，而且能够制备六方晶体结构对称性的、高晶体质量的石墨烯材料，进而制备出高晶体质量、高发光效率、高散热能力的大功率氮化物LED外延片。
单晶金属衬底采用导热性能好，且与现有制备氮化物垂直LED工艺兼容的金属；采用(111)晶面取向的、具有六方晶体结构对称性的单晶铜Cu、镍Ni或者二者的合金。其中单晶金属衬底的晶体质量由X射线衍射测试证明：能够观察到(111)晶面族的衍射信号，而无其他晶面族的衍射信号。
获得高质量的单晶金属衬底的三种方法：
a)直接采用单晶铜Cu、镍Ni或二者合金的(111)晶面取向的薄片作为单晶金属衬底；为了提供足够的机械强度，单晶金属衬底的厚度在20～1000μm之间；
b)采用温度1000～1480℃、氩气氛围的高温热退火方法处理多晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，利用高温促进多晶铜Cu、镍Ni或者二者金中晶界移动，进而得到单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，即所需的单晶金属衬底；考虑到高温热退火技术对多晶金属衬底结晶度改善效果以及单晶金属衬底的机械强度问题，得到的单晶金属衬底的厚度在20～500μm之间；退火时间为30分钟～2小时，与单晶金属衬底的尺寸有关，尺寸越大时间越长；
c)采用厚度为5～50μm的多晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，在温度1000～1480℃、氩气氛围中进行高温热退火处理，利用高温促进多晶铜Cu、镍Ni或者二者金中晶界移动，进而得到单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金；再采用高温键合工艺，将单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金放置在键合衬底的上表面，加热至1000～1450℃，使得金单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金的下表面和键合衬底的上表面在高温条件形成合金，产生强的键合，获得上表面具有高晶体质量的、(111)晶面取向的单晶金属衬底。键合衬底为单晶或非晶金属，或者单晶或非晶的非金属导电衬底，如硅或碳化硅，厚度为50～1000μm。
化学清洗后在还原性气氛中高温处理单晶金属衬底，能够获得表面洁净的单晶金属衬底，有利于连续的、高质量的石墨烯外延层制备。化学清洗处理依次采用三氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，除去单晶金属衬底表面的有机物和灰尘；在还原性气氛中高温处理是将单晶金属衬底通过管式炉加热至800～1350℃，通入具有还原性的氢气H2或氢气H2和惰性气体的混合气体，除去单晶金属衬底的表面氧化层。
在步骤2)中，氮化物的典型生长温度为500～1300℃，当生长温度≥650℃时，金属衬底和氮化物LED结构间存在严重的界面反应以及金属原子扩散进入氮化物LED结构中降低其晶体质量的问题。同时氮化物LED结构和金属衬底间存在大的晶格失配和热失配，容易在氮化物LED结构中引入大量晶体缺陷，在降温过程中造成氮化物LED芯片开裂，降低氮化物LED的性能及成品率。本发明采用且仅采用导电的多层石墨烯作为阻挡层，利用石墨烯层间弱的分子力连接，有效弛豫金属衬底和氮化物LED外延结构间的热失配，避免氮化物LED在降温过程开裂；利用沉积在整个单晶金属衬底上表面的多层石墨烯层的面内强共价键结合，阻挡单晶金属衬底和氮化物LED结构在界面处的界面反应，阻挡单晶金属衬底中金属原子扩散进入氮化物LED结构中，改善氮化物LED形貌，避免金属原子扩散导致的多晶或非晶氮化物LED结构，提高氮化物LED晶体质量和发光性能。
获得多层石墨烯层的方法：采用化学气相沉积法，在洁净的单晶金属衬底的上表面沉积多层石墨烯层；或者，采用薄膜转移法，将多层石墨烯层从其他样品转移到洁净的单晶金属衬底的上表面。单晶、具有六方晶体结构对称性的铜Cu、镍Ni及其合金在CVD制备石墨烯层时，起到了催化剂的作用，能够提高制备的石墨烯层的结晶质量，减少缺陷密度和晶界的产生，得到高晶体质量的、高取向性的、具有良好六方晶体结构对称性的多层石墨烯，即高质量的石墨烯阻挡层。
石墨烯阻挡层的厚度为2～10层的石墨烯层，小于2层的石墨烯层存在不连续区域，不能完整覆盖整个金属上表面；大于10层的石墨烯层制备技术不成熟，存在高缺陷密度、取向性差等问题，影响外延在石墨烯阻挡层上的氮化物LED的晶体质量。
在多层石墨烯层的表面获得褶皱的方法：将转移法形成的多层石墨烯层放置在管式炉中，加热到800～1000℃，采用快速降温方式，降温速度为20～50℃/min，利用单晶金属衬底和多层石墨烯层的热失配，在多层石墨烯层中引入大的压应力，导致薄膜发生一系列波状的弯曲变形，形成明显的褶皱。褶皱是指多层石墨烯层的表面由凸起分为多个区域，每个区域的面积为平方微米级，每个区域内的表面平坦，相邻的区域之间具有凸起，凸起的高度为1～10nm，从而使得多层石墨烯层的表面具有褶皱。平坦的石墨烯表面缺少表面悬挂键，不利于氮化物及氮化物LED结构的成核成长。多层石墨烯层的表面形成褶皱后，褶皱的凸起处化学性质活泼，容易形成表面悬挂键，能够为氮化物LED结构的外延生长提供成核位点。
在步骤3)中，薄膜沉积技术为磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸镀、分子束外延MBE、脉冲激光沉积PLD、金属有机物气相外延MOVPE和氢化物气相外延HVPE中的一种。
采用磁控溅射、离子束溅射和电子束蒸镀中一种，在单晶金属衬底的侧壁和下表面蒸镀一层化学性质稳定、耐高温的金属，形成金属阻挡层。金属阻挡层采用厚度为100～5000nm的钼Mo、钽Ta或者铬Cr，能够在氮化物LED外延温度区间阻挡单晶金属衬底中金属原子从侧壁或者背面扩散进入反应腔室，防止单晶金属衬底中金属原子污染反应腔室进而进入到氮化物LED外延结构中。具有金属阻挡层和石墨烯阻挡层的单晶金属衬底，能够在制备氮化物LED常用的分子束外延MBE、金属有机物气相外延MOVPE和氢化物气相外延HVPE技术中进行高温外延生长，随着氮化物LED生长温度的提高，能够提高氮化物LED结构的晶体质量，降低位错密度，提高LED发光效率。
在步骤4)中，如果表面缺少悬挂键，则不利于氮化物LED的成核成键生长。本发明采用等离子氮源轰击石墨烯阻挡层表面进行活化处理，使得N原子取代表面上部分C原子形成在面内的C-N键和在表面的悬挂键，增加氮化物LED成核所需的成核位点。与氩粒子轰击、等离子氧源进行活化处理相比，等离子体氮源处理温和，不会对多层石墨烯层造成结构上的显著破坏，不会使单晶金属衬底暴露。等离子氮源轰击后，将石墨烯阻挡层在真空中加热至500℃～800℃处理20～60min，恢复多层石墨烯阻挡层在活化过程受到的轻微结构损伤。
在步骤5)中，薄膜沉积技术采用分子束外延MBE、金属有机物气相外延MOVPE和氢化物气相外延HVPE技术中的一种，在具有石墨烯阻挡层的单晶金属衬底上外延n型电子注入层。
石墨烯阻挡层的表面褶皱处理以及活化处理，为氮化物LED最底层的n型电子注入层的成核生长提供了足够的成核位点，因此本发明区别能够采用一步外延法在石墨烯阻挡层上制备n型电子注入层。一步外延法是在石墨烯阻挡层上直接采用700～1200℃高温沉积n型电子注入层，能够降低成核密度，增加晶粒尺寸，在小岛合并过程中降低合并导致的贯穿位错密度，提高氮化镓薄膜晶体质量，最终降低氮化物LED中位错密度，提高氮化物LED晶体质量和发光效率。也可采用现有技术的两步外延法，两步外延法是在石墨烯阻挡层上先400～700℃低温沉积低温缓冲层，提高氮化物LED结构的成核成长能力，再高700-1200℃温沉积n型电子注入层。
在步骤6)中，获得氮化物垂直结构LED外延片采用分子束外延MBE、金属有机物气相外延MOVPE和氢化物气相外延HVPE技术中的一种。在n型电子注入层上依次制备多量子阱层、电子阻挡层、p型空穴注入层和p型接触层，获得氮化物垂直结构LED外延片。
垂直结构氮化物LED包括两种：一种为采用InGaN/GaN多量子阱结构的可见光波段氮化物LED结构，通过在石墨烯阻挡层上依次外延n型GaN电子注入层、InGaN/GaN多量子阱、AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层获得。其中，InGaN/GaN多量子阱结构中In组分一般小于50％，AlGaN电子阻挡层Al组分一般小于50％；另一种为采用AlGaN/GaN多量子阱的紫外波段氮化物LED结构，通过在石墨烯阻挡层上依次外延n型AlGaN电子注入层、AlGaN/GaN多量子阱、AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层获得。其中紫外波段氮化物LED结构中，AlGaN/GaN多量子阱的Al组分小于AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN注入层中的Al组分，多量子阱中Al组分可以为0。
本发明的优点：
本发明通过在单晶金属衬底上表面引入高晶体质量的、具有六方晶体结构对称性的石墨烯阻挡层，利用石墨烯阻挡层的层内强共价键阻挡单晶金属衬底与氮化物LED的界面反应和金属原子的扩散，利用石墨烯阻挡层的层间弱分子力结合弛豫金属衬底和氮化物LED结构的晶格失配和热失配，通过表面活化处理石墨烯阻挡层提供氮化物LED的成核位点，进而得到高晶体质量、高发光效率的大功率氮化物垂直结构LED外延片。与其他金属衬底相比，单晶铜Cu、镍Ni及其合金具有散热性能好、制备工艺成熟和易于获取等优点，能直接作为高质量石墨烯阻挡层的外延衬底；与其他二维晶体过渡层相比，导电的石墨烯阻挡层在氮化物外延温度区间性质稳定，不会降低氮化物LED芯片电子注入效率，和氮化物LED制备工艺匹配性好；石墨烯阻挡层能够避免金属衬底和氮化物LED结构间的界面反应和金属原子扩散，能够弛豫氮化物LED与金属衬底间热失配，提高氮化物LED成品率；石墨烯阻挡层的活化处理以及表面褶皱在其表面形成大量悬挂键，为氮化物LED底层结构的成核生长提供了成核位点，提高了氮化物LED的晶体质量和发光效率。石墨烯阻挡层和单晶金属衬底散热能力好，能够提高氮化物LED芯片的功率密度和散热能力，直接制备大功率氮化物LED芯片，能够显著的简化氮化物LED芯片制备工艺并降低成本；设备简单，易操作，适合产业化生产。
附图说明
图1至图4为本发明的利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法的制备过程的剖面图；
图5为本发明的利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
本实例中，单晶金属衬底1为单晶铜Cu(111)，厚度为300μm；石墨烯阻挡层2的制备方法为化学气相沉积法CVD，厚度为五层；氮化物LED的制备方法为分子束外延MBE，氮化物垂直结构LED为具有InGaN/GaN多量子阱结构的可见光波段LED。
本实例的一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，如图5所示，包括以下步骤：
1)采用300μm单晶Cu(111)作为单晶金属衬底1，采用三氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水超声进行化学清洗处理，然后将金属衬底放于管式炉中加热到1000℃，通入氢气H2气氛，处理30分钟，除去单晶金属衬底的表面氧化层，获得洁净的单晶金属衬底1；
2)采用化学气相沉积法CVD技术在单晶金属衬底上表面沉积五层石墨烯层，利用快速降温的方法在石墨烯层中引入明显褶皱，在单晶金属衬底上形成石墨烯阻挡层2，如图1所示；
3)采用磁控溅射技术，在单晶金属衬底的下表面和侧壁蒸镀300nm的钼Mo，作为金属阻挡层3，如图2所示；
4)采用等离子体氮源活化处理石墨烯阻挡层，形成面内的C-N键和表面的悬挂键后，将活化处理的样品在真空中加热至600℃处理30min，恢复石墨烯阻挡层的结构损伤；
5)利用分子束外延MBE技术采用一步外延法直接在石墨烯阻挡层上沉积n型GaN，沉积温度为780℃，形成低位错密度、高晶体质量的n型电子注入层4，如图3所示；
6)利用分子束外延技术，在n型GaN电子注入层上顺次外延InGaN/GaN多量子阱5、AlGaN电子阻挡层6、p型GaN空穴注入层7和p型GaN接触层8，获得具有InGaN/GaN多量子阱结构的可见光波段氮化物垂直结构LED外延片，如图4所示。
在本实施例中，由于石墨烯阻挡层的层内强共价键能够阻挡金属衬底和氮化物LED结构的界面反应和金属原子扩散，层间弱分子力弛豫金属衬底和氮化物LED间晶格失配和热失配，进而获得高晶体质量、高散热性能的可见光波段大功率氮化物垂直结构LED。
实施例二
本实例中，采用100μm厚的商用多晶铜箔，高温热处理后获得(111)晶面取向的单晶铜Cu，作为金属衬底；石墨烯阻挡层的制备方法为转移法，厚度为8层；氮化物LED的制备方法为金属有机物化学气相沉积MOCVD,氮化物垂直结构LED为具有AlGaN/GaN多量子阱结构的紫外波段LED。
本实例的一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，包括以下步骤：
1)采用100μm厚的商用多晶铜箔，采用温度1000～1480℃、氩气氛围的高温热退火方法处理后获得(111)晶面取向的单晶铜Cu，作为单晶金属衬底1；采用三氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水超声进行化学清洗处理，然后将单晶金属衬底放于管式炉中加热到900℃，通入氢气H2和氩气Ar混合气氛，处理30分钟，除去单晶金属衬底的表面氧化层，获得表面洁净的单晶金属衬底；
2)采用转移法在单晶金属衬底上表面获得8层石墨烯层，利用管式炉加热至900℃后快速降温的方法在石墨烯层中引入明显褶皱，在金属衬底上形成石墨烯阻挡层2，如图1所示；
3)采用电子束蒸镀技术，在单晶金属衬底的下表面和侧壁蒸镀500nm的钽Ta，形成金属阻挡层3，如图2所示；
4)采用等离子体氮源活化处理单晶金属衬底上的石墨烯阻挡层形成面内的C-N键和表面的悬挂键后，将活化处理的样品在真空中加热至600℃处理30min，恢复石墨烯阻挡层的结构损伤；
5)利用金属有机物化学气相沉积MOVPE技术采用两步外延法直接在石墨烯阻挡层上沉积n型AlGaN电子注入层，形成低位错密度、高晶体质量的n型电子注入层4，如图3所示；
6)利用金属有机物化学气相沉积MOCVD技术，在n型电子注入层上顺次外延AlGaN/GaN多量子阱、AlGaN电子阻挡层、p型AlGaN空穴注入层和p型GaN接触层，获得具有AlGaN/GaN多量子阱结构的紫外波段氮化物垂直结构LED外延片。
在本实施例中，由于石墨烯阻挡层的层内强共价键能够阻挡单晶金属衬底和氮化物LED结构的界面反应和金属原子扩散，层间弱分子力弛豫单晶金属衬底和氮化物LED间晶格失配和热失配，进而获得高晶体质量、高散热性能的紫外波段大功率氮化物垂直结构LED。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种利用石墨烯阻挡层制备氮化物垂直结构LED的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)提供具有六方晶体结构对称性的单晶金属衬底，化学清洗后在还原性气氛中高温处理单晶金属衬底，除去单晶金属衬底的表面氧化层，获得表面洁净的单晶金属衬底；
2)采用化学气相沉积或者薄膜转移技术在单晶金属衬底的上表面形成具有六方晶体结构对称性的多层石墨烯层，多层石墨烯层完全覆盖金属衬底的上表面，利用快速降温方式使得多层石墨烯层的表面形成褶皱，从而在单晶金属衬底上形成石墨烯阻挡层；
3)采用薄膜沉积技术在单晶金属衬底的下表面和侧壁沉积化学性质稳定并且耐高温的金属，从而形成金属阻挡层，抑制单晶金属衬底高温外延时金属原子的扩散行为，保护反应腔室，避免外延后续结构时金属原子非故意并入；
4)活化处理石墨烯阻挡层，形成在面内的C-N键和在表面的悬挂键，增加氮化物LED成核生长所需的成核位点，然后恢复石墨烯阻挡层在活化过程受到的结构损伤；
5)采用薄膜沉积技术，在石墨烯阻挡层上沉积n型电子注入层；
6)采用薄膜沉积技术，在n型电子注入层上制备多量子阱层、电子阻挡层、p型空穴注入层和p型接触层，获得氮化物垂直结构LED外延片。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，单晶金属衬底采用(111)晶面取向的、具有六方晶体结构对称性的单晶铜Cu、镍Ni或者二者的合金。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，得到单晶金属衬底的三种方法：
a)直接采用单晶铜Cu、镍Ni或二者合金的(111)晶面取向的薄片作为单晶金属衬底；单晶金属衬底的厚度在20～1000μm之间；
b)采用温度1000～1480℃、氩气氛围的高温热退火方法处理多晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，利用高温促进多晶铜Cu、镍Ni或者二者金中晶界移动，进而得到单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金；得到的单晶金属衬底的厚度在20～500μm之间；退火时间为30分钟～2小时；
c)采用厚度为5～50μm的多晶铜Cu、镍Ni或者二者合金，在温度1000～1480℃、氩气氛围中进行高温热退火处理，利用高温促进多晶铜Cu、镍Ni或者二者金中晶界移动，进而得到单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金；再采用高温键合工艺，将单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金放置在键合衬底的上表面，加热至1000～1450℃，使得金单晶铜Cu、镍Ni或者二者合金的下表面和键合衬底的上表面在高温条件形成合金，产生强的键合，获得(111)晶面取向的单晶金属衬底。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，化学清洗处理依次采用三氯乙烯、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗，除去单晶金属衬底表面的有机物和灰尘；在还原性气氛中高温处理是将单晶金属衬底通过管式炉加热至800～1350℃，通入具有还原性的氢气H2或氢气H2和惰性气体的混合气体，除去单晶金属衬底的表面氧化层。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，获得多层石墨烯层的方法：采用化学气相沉积法，在单晶金属衬底的上表面沉积多层石墨烯层。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，石墨烯阻挡层的厚度为2～10层的石墨烯层。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，在多层石墨烯层的表面获得褶皱的方法：将转移法形成的多层石墨烯层放置在管式炉中，加热到800～1000℃，采用快速降温方式，降温速度为20～50℃/min，利用单晶金属衬底和多层石墨烯层的热失配，在多层石墨烯层中引入大的压应力，形成褶皱。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3)中，金属阻挡层采用钼Mo、钽Ta或者铬Cr，厚度为100～5000nm。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，采用等离子氮源轰击石墨烯阻挡层的表面进行活化处理，使得N原子取代表面上部分C原子形成在面内的C-N键和在表面的悬挂键，增加氮化物LED成核所需的成核位点。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤4)中，等离子氮源轰击后，将石墨烯阻挡层在真空中加热至500℃～800℃处理20～60min，恢复石墨烯阻挡层在活化过程受到的轻微结构损伤。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111785614A (zh) * 2020-06-18 2020-10-16 上海空间电源研究所 一种降低电压损耗的键合结构及其制备方法
CN114292087A (zh) * 2021-12-28 2022-04-08 北京大学东莞光电研究院 一种无需封装的白光led外延材料制备方法
CN115786849A (zh) * 2022-12-13 2023-03-14 株洲华锐精密工具股份有限公司 一种AlTiN基硬质涂层及其制备方法与应用

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103733308A (zh) * 2011-09-05 2014-04-16 日本电信电话株式会社 氮化物半导体结构以及其制作方法
CN104947071A (zh) * 2015-05-14 2015-09-30 天津理工大学 一种石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列及其制备方法及应用
CN105914258A (zh) * 2016-05-27 2016-08-31 清华大学 半导体结构以及制备半导体结构的方法
CN107083535A (zh) * 2017-04-18 2017-08-22 大连理工大学 石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜及制备方法
CN107706274A (zh) * 2017-10-25 2018-02-16 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种基于六方氮化硼‑石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法
CN108878266A (zh) * 2018-07-03 2018-11-23 北京大学 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法
CN108899401A (zh) * 2018-06-28 2018-11-27 西安电子科技大学 基于石墨烯插入层结构的GaN基LED器件制备方法
CN109285758A (zh) * 2018-08-30 2019-01-29 中国科学院半导体研究所 在图形衬底上生长氮化物薄膜的方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103733308A (zh) * 2011-09-05 2014-04-16 日本电信电话株式会社 氮化物半导体结构以及其制作方法
CN104947071A (zh) * 2015-05-14 2015-09-30 天津理工大学 一种石墨烯衬底上分级GaN纳米阵列及其制备方法及应用
CN105914258A (zh) * 2016-05-27 2016-08-31 清华大学 半导体结构以及制备半导体结构的方法
CN107083535A (zh) * 2017-04-18 2017-08-22 大连理工大学 石墨烯改性图形化金属衬底上的氮化镓基薄膜及制备方法
CN107706274A (zh) * 2017-10-25 2018-02-16 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种基于六方氮化硼‑石墨烯复合层作为缓冲层的氮化镓外延结构的制备方法
CN108899401A (zh) * 2018-06-28 2018-11-27 西安电子科技大学 基于石墨烯插入层结构的GaN基LED器件制备方法
CN108878266A (zh) * 2018-07-03 2018-11-23 北京大学 一种在多晶或非晶衬底上生长单晶氮化镓薄膜的方法
CN109285758A (zh) * 2018-08-30 2019-01-29 中国科学院半导体研究所 在图形衬底上生长氮化物薄膜的方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111785614A (zh) * 2020-06-18 2020-10-16 上海空间电源研究所 一种降低电压损耗的键合结构及其制备方法
CN114292087A (zh) * 2021-12-28 2022-04-08 北京大学东莞光电研究院 一种无需封装的白光led外延材料制备方法
CN115786849A (zh) * 2022-12-13 2023-03-14 株洲华锐精密工具股份有限公司 一种AlTiN基硬质涂层及其制备方法与应用

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