一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，以解決目前發(fā)光二極管制備中存在的成本較高、襯底難以重復利用的技術(shù)問題。一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，利用表面石墨烯化的薄片狀TiC材料作為襯底材料，生長發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，外延結(jié)構(gòu)包括n型摻雜層、多量子阱發(fā)光層和p型摻雜層。本發(fā)明以表面石墨烯化的TiC材料作為襯底材料，利用石墨烯與外延層間弱的范德華力，依靠機械拉力實現(xiàn)襯底與外延結(jié)構(gòu)的分離，實現(xiàn)襯底的重復使用，降低了器件的制造成本。
【專利說明】 一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法，更具體地是涉及一種襯底材料可重復使用的低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管經(jīng)過多年的發(fā)展，光效率得到了明顯提升。但制約其廣泛推廣應用的關(guān)鍵一個問題是在成本方面與普通節(jié)能燈和白熾燈相比還處于劣勢。傳統(tǒng)的氮化鎵基發(fā)光二極管的制備方法是采用昂貴的Sic或藍寶石晶圓片作為襯底材料、且襯底材料只能單次使用。IBM公司提出采用SiC表面石墨烯化再生長氮化鎵基發(fā)光外延結(jié)構(gòu)的方法，生長完成后整片GaN薄膜被轉(zhuǎn)移到硅基板上，石墨烯則仍留在SiC晶圓片上重復使用，再繼續(xù)生長GaN薄膜、轉(zhuǎn)移薄膜的程序(參閱文獻，Jeehwan Kim, Can Bayram, Hongsik Park,et al.“Principle of direct van der ffaals epitaxy ofsingle-crystalline films onepitaxial graphene”，Nature Communicat1ns, 5，2014，4836)。但該方法所用的襯底仍然是價格高的SiC材料。日本NTT公司采用在藍寶石襯底上生長氮化硼外延層，然后在其上面生長LED發(fā)光外延結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法利用氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)也能實現(xiàn)襯底的剝離和外延結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移(參閱文獻，Yasuyuki Kobayashi, Kazuhide Kumakura, TetsuyaAkasaka,et al Layered boron nitride as a release layer for mechanical transferof GaN-based devices”，Nature, 484, 2012, 223)。但該方法的缺點是需要在氮化硼和LED外延結(jié)構(gòu)之間插入一層A1N層來改善LED的表面形貌。插入層A1N為絕緣體，因此剝離后的外延結(jié)構(gòu)只能采取同藍寶石襯底一樣的水平芯片結(jié)構(gòu)，不適合用于大電流密度條件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種低成本襯底且其可重復使用的氮化物發(fā)光二極管的制作方法，以進一步降低發(fā)光二極管的制作成本。
[0004]本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，利用表面石墨烯化的薄片狀Tic材料作為襯底材料，生長發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，外延結(jié)構(gòu)包括η型摻雜層、多量子阱發(fā)光層和Ρ型摻雜層。
[0005]在生長外延結(jié)構(gòu)后，可用機械剝離的方法，使外延結(jié)構(gòu)與表面石墨烯化的TiC材料相分離。
[0006]分離后的表面石墨烯化的TiC材料可繼續(xù)用于新的外延結(jié)構(gòu)生長。
[0007]本發(fā)明以表面石墨烯化的TiC材料作為襯底材料，利用石墨烯與外延層間弱的范德華力，依靠機械拉力實現(xiàn)襯底與外延結(jié)構(gòu)的分離，實現(xiàn)襯底的重復使用，降低了器件的制造成本。
[0008]本發(fā)明提供的低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，包括以下幾個步驟:
1)晶體或無定型形態(tài)的薄片狀TiC材料在氯氣氣氛下表面脫鈦，脫鈦的溫度隨晶體或無定型形態(tài)不同而變化；晶體Tic材料的脫鈦溫度在800°C — 1100°C，時間5min — 20min ；無定型形態(tài)Tic材料的脫鈦溫度在300°C — 800°C，時間5min — 20min。脫鈦后，關(guān)閉氯氣源，通入氬氣，晶體或無定型形態(tài)均在800°C — 1100°C溫度范圍，保持lOmin — 30min，進行表面的石墨烯化。根據(jù)脫鈦時間，石墨烯層數(shù)可以為單層或多層，若為多層時，層數(shù)為3層一 10層；根據(jù)石墨烯化的時間，石墨烯可以呈平面或呈有波浪起伏的褶皺面，褶皺面的起伏高度差范圍在2nm - 20nm ；
2)表面石墨烯化后的薄片狀TiC襯底材料放入M0CVD反應室依次進行η型摻雜GaN層、多量子阱發(fā)光層和P型摻雜GaN層外延結(jié)構(gòu)的生長；各層生長條件如下:調(diào)節(jié)溫度將襯底層加熱到1050°C -1100°C，壓力100Torr-500Torr，生長厚度為200nm-800nm的η型摻雜GaN層，Si摻雜濃度是8X 1018cnT3-2X 1019cnT3 ;然后調(diào)節(jié)MOCVD反應室中的溫度到750°C -800°C，壓力100TOrr-500TOrr，生長多量子阱發(fā)光層:多量子阱層的周期為3-10個，每個周期由厚度分別為2nm-10nm的InGaN講和8nm-20nm的GaN魚構(gòu)成；調(diào)節(jié)M0CVD反應室中的溫度至950°C -1050°C，壓力100Torr_500Torr，生長ρ型摻雜GaN層，厚度為100nm-500nm，Mg摻雜濃度為5X 1019cnT3—l X 102°cnT3 ;最后將獲得的產(chǎn)物置于650°C _750°C的氮氣氣氛下退火15min-30min ；
3)將上述反應生長的外延結(jié)構(gòu)上表面粘附于80°C高溫的透明膠帶上，待自然冷卻到室溫后，即可借助于機械外拉力將外延結(jié)構(gòu)與表面石墨烯化的TiC薄片狀襯底材料相分離；
4)粘附于透明膠帶上的外延結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)移到金屬或硅片上，進行后續(xù)芯片工藝加工，做成電致發(fā)光器件；
5)步驟3分離后的表面石墨烯化的TiC薄片狀襯底材料可重復用于步驟2的外延結(jié)構(gòu)生長。
[0009]步驟1中經(jīng)過表面石墨烯化處理的薄片狀TiC襯底材料可以為外延結(jié)構(gòu)的生長提供最合適的生長條件，且有利于外延結(jié)構(gòu)的分離。步驟3中所述分離方法能夠?qū)⑼庋咏Y(jié)構(gòu)與襯底有效分離，且保證外延結(jié)構(gòu)的各項性質(zhì)不會發(fā)生改變，并有利于襯底的重復利用。
[0010]本發(fā)明通過實現(xiàn)表面石墨烯化的TiC薄片狀襯底材料的重復使用，可降低氮化鎵基發(fā)光二極管的制造成本，且轉(zhuǎn)移到金屬或硅片上的外延結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了垂直電流傳輸，避免了電流阻塞效應，提高了發(fā)光效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明的制備工藝流程圖。通過參照附圖一，更詳細地描述了本發(fā)明的示例性實施例，本發(fā)明的以上和其它方面及優(yōu)點將變得更加易于清楚，在附圖中:
l、TiC襯底；2、石墨烯；3、n型摻雜GaN層；4、多量子阱發(fā)光層(InaGai_aN阱和GaN壘)；5、p型摻雜GaN層；6、膠帶；7、金屬或硅片。

【具體實施方式】
[0012]在下文中，現(xiàn)在將參照附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了各種實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實施，且不應該解釋為局限于在此闡述的實施例。相反，提供這些實施例使得本公開將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員。
[0013]下面將參照附圖更詳細地描述本發(fā)明的示例性實施例。
[0014]實施例1
實施例1所述LED結(jié)構(gòu)的制備方法，具體步驟如下:
1)晶態(tài)的薄片狀TiC材料當反應溫度達到850°C時,通入氯氣保持15min,實現(xiàn)表面的脫鈦過程，然后關(guān)閉氯氣源，通入氬氣，溫度仍維持850°C，保持20min，實現(xiàn)表面層的石墨烯化，石墨烯層數(shù)為6層,石墨烯呈波浪起伏的裙皺面形態(tài),起伏高度差在15nm范圍內(nèi)；薄片狀TiC襯底厚度可選為300unTlmm ；
2)將表面石墨烯化后的薄片狀TiC襯底1材料放入M0CVD反應室依次進行η型摻雜層、多量子阱發(fā)光層和Ρ型摻雜層外延結(jié)構(gòu)的生長。各層生長條件如下:調(diào)節(jié)溫度將襯底層加熱到1050°C，壓力200Torr，生長厚度為600nm的η型摻雜GaN層3，Si摻雜濃度是8X1018cm_3 ;然后調(diào)節(jié)M0CVD反應室中的溫度到760°C，壓力200Torr，生長多量子阱發(fā)光層4:多量子阱發(fā)光層的周期為5個，每個周期由厚度分別為2nm InGaN阱和10nm GaN壘構(gòu)成；調(diào)節(jié)M0CVD反應室中的溫度至950°C，壓力200Torr，生長ρ型摻雜GaN層5，厚度為300nm，Mg摻雜濃度為5X 1019cm_3 ;最后將獲得的產(chǎn)物置于750°C的氮氣氣氛下退火20min ；
3)將上述反應生長的外延結(jié)構(gòu)上表面粘附于80°C高溫的透明膠帶6上，待自然冷卻到室溫后，即可借助于外拉力將外延結(jié)構(gòu)與表面石墨烯化的TiC薄片狀襯底材料相分離；
4)粘附于透明膠帶上的外延結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)移到金屬上，進行后續(xù)芯片工藝加工，做成電致發(fā)光器件；
5)步驟3分離后的表面石墨烯化的TiC薄片狀襯底材料可重復用于步驟2的外延結(jié)構(gòu)生長。
[0015]實施例2
實施例2所述LED結(jié)構(gòu)的制備方法，具體步驟如下:
1)無定型態(tài)的薄片狀TiC材料當反應溫度達到500°C時,通入氯氣保持lOmin,實現(xiàn)表面的脫鈦過程，然后關(guān)閉氯氣源，通入氬氣，升高溫度到850°C，保持15min，實現(xiàn)表面層的石墨稀化；石墨稀層數(shù)為3層,石墨稀呈波浪起伏的裙皺面形態(tài)，起伏聞度差在10nm范圍內(nèi)；薄片狀TiC襯底厚度可選為300unTlmm ；
2)將表面石墨烯化后的薄片狀TiC襯底1材料放入M0CVD反應室依次進行η型摻雜層、多量子阱發(fā)光層和Ρ型摻雜層外延結(jié)構(gòu)的生長。各層生長條件如下:調(diào)節(jié)溫度將襯底層加熱到1050°C，壓力200Torr，生長厚度為1500nm的η型摻雜GaN層3，Si摻雜濃度是8X1018cnT3 ;然后調(diào)節(jié)MOCVD反應室中的溫度到760°C，壓力200Torr，生長多量子阱發(fā)光層:多量子阱發(fā)光層4的周期為5個，每個周期由厚度分別為2nm InGaN阱和10nm GaN壘構(gòu)成；調(diào)節(jié)MOCVD反應室中的溫度至950°C，壓力200Torr，生長ρ型摻雜GaN層5，厚度為300nm，Mg摻雜濃度為5X 1019cm_3 ;最后將獲得的產(chǎn)物置于750°C的氮氣氣氛下退火20min ；
3)將上述反應生長的外延結(jié)構(gòu)上表面粘附于80°C高溫的透明膠帶6上，待自然冷卻到室溫后，即可借助于外拉力將外延結(jié)構(gòu)與表面石墨烯化的TiC薄片狀襯底材料相分離；
4)粘附于透明膠帶上的外延結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)移到硅片上，進行后續(xù)芯片工藝加工，做成電致發(fā)光器件；
5)步驟3分離后的表面石墨烯化的TiC薄片狀襯底材料可重復用于步驟2的外延結(jié)構(gòu)生長。
【權(quán)利要求】
1.一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，其特征在于:利用表面石墨烯化的薄片狀TiC材料作為襯底材料，生長發(fā)光二極管外延結(jié)構(gòu)，外延結(jié)構(gòu)包括η型摻雜層、多量子阱發(fā)光層和P型摻雜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，在生長外延結(jié)構(gòu)后，可用機械剝離的方法，使外延結(jié)構(gòu)與表面石墨烯化的TiC材料相分離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，分離后的表面石墨烯化的TiC材料可繼續(xù)用于新的外延結(jié)構(gòu)生長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，TiC材料可以是晶體或無定型形態(tài)中的任何一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，晶體或無定型形態(tài)的薄片狀TiC材料在氯氣氣氛下表面脫鈦，脫鈦的溫度隨晶體或無定型形態(tài)不同而變化；晶體TiC材料的脫鈦溫度在800°C — 1100°C，時間5min — 20min ;無定型形態(tài)TiC材料的脫鈦溫度在300°C — 800°C，時間5min — 20min ;脫鈦后，關(guān)閉氯氣源，通入氬氣，晶體或無定型形態(tài)均在800°C — 1100°C溫度范圍，保持1min — 30min，進行表面的石墨烯化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法,其特征在于,根據(jù)表面脫鈦時間，表面脫鈦后的石墨烯可以是單層或多層，若為多層時，層數(shù)為3層一 10層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法,其特征在于，根據(jù)石墨烯化的時間，石墨烯可以呈平面或呈有波浪起伏的褶皺面，其中褶皺面的起伏高度差范圍在2nm — 20nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，夕卜延結(jié)構(gòu)的η型摻雜層是指摻娃的氮化鎵，其厚度為200nm -800nm ;外延結(jié)構(gòu)的多量子講發(fā)光層由InGaN阱材料和GaN壘材料多周期重疊構(gòu)成，周期數(shù)為3 — 10個周期，總厚度范圍可為30nm — 300nm ;外延結(jié)構(gòu)的p型摻雜層是指摻鎂的氮化鎵，其厚度為10nm — 500nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6?8中任一項所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法,其特征在于，表面石墨烯化后的薄片狀TiC襯底材料放入MOCVD反應室依次進行η型摻雜GaN層、多量子阱發(fā)光層和P型摻雜GaN層外延結(jié)構(gòu)的生長；各層生長條件如下:調(diào)節(jié)溫度將襯底層加熱到1050°C -1100°C，壓力100Torr-500Torr，生長厚度為200nm-800nm的η型摻雜GaN層，Si摻雜濃度是8X 1018cnT3-2X 119CnT3 ;然后調(diào)節(jié)MOCVD反應室中的溫度到750°C -800°C，壓力100TOrr-500TOrr，生長多量子阱發(fā)光層:多量子阱層的周期為3-10個，每個周期由厚度分別為2nm-10nm的InGaN講和8nm-20nm的GaN魚構(gòu)成；調(diào)節(jié)MOCVD反應室中的溫度至950°C -1050°C，壓力100Torr_500Torr，生長p型摻雜GaN層，厚度為100nm-500nm，Mg摻雜濃度為5X 1019cnT3—l X 102°cnT3 ;最后將獲得的產(chǎn)物置于6500C _750°C的氮氣氣氛下退火15min-30min。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低成本氮化鎵基發(fā)光二極管制備方法，其特征在于，所述機械剝離的方法是指將反應生長的外延結(jié)構(gòu)上表面粘附于80°C高溫的透明膠帶上，待自然冷卻到室溫后，即可借助于機械外拉力將外延結(jié)構(gòu)與表面石墨烯化的TiC薄片狀襯底材料相分離。
【文檔編號】H01L33/00GK104465922SQ201410750310
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月10日
【發(fā)明者】李天保, 賈偉, 許并社, 梁建, 余春艷, 章海霞 申請人:太原理工大學