[发明专利]基于石墨烯插入层结构的GaN基LED器件制备方法

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯插入层结构的GaN基LED器件制备方法。其方案是：在蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝薄膜得到基板；在金属衬底上生长石墨烯，将石墨烯转移到基板上，得到覆盖石墨烯的基板，并对其进行热处理；在热处理后的覆盖石墨烯基板上生长N型GaN，得到N型GaN基板；在N型GaN基板上生长多量子阱层；在多量子阱层上生长P型GaN层；在P型氮化镓上旋涂得到透明导电层；对P型GaN层、多量子阱层、N型GaN层进行干法刻蚀；生长SiO₂保护层；干法刻蚀出电极区并生长电极，完成器件制备。本发明提高了石墨烯插入层和GaN外延层的质量，从而提升了LED的发光效率，可用于制作GaN基半导体器件。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及一种基于石墨烯插入层结构的LED器件制备方法，可用于制作GaN基半导体器件。

背景技术

由于GaN具有禁带宽度大、直接带隙、击穿场强高、热导率高的优点，在条件恶劣环境中，也具有优良的电学和光学性质，因而在光电器件等领域得到了广泛的应用。其主要用途为LED和HEMT。GaN基LED可实现从紫外到红光的波长变化，覆盖了整个可见光波段。

由于GaN外延层材料与衬底材料有较大的晶格失配度，所以在生长GaN外延材料过程中容易形成位错，且位错密度很高。这些材料缺陷影响LED的发光效率。因此，生长低位错密度GaN材料的外延材料，减少由于晶格失配所导致的材料缺陷使GaN器件研究中的关键问题。

由于石墨烯与GaN的晶格失配较小，石墨烯插入层能够减少晶格失配所导致的GaN材料缺陷，而且在石墨烯插入层上生长GaN能够实现LED器件的背面粗化，提高衬底处的光提取效率，从而提高LED的发光效率。因而在GaN基LED加入石墨烯插入层可以提高LED器件性能。

湘能华磊光电股份有限公司所拥有的专利“基于石墨烯的LED外延生长方法”(申请号：201710787388.8，公布号：CN 107452841A)中公开了一种基于石墨烯的LED外延生长方法。该方法具体步骤如下：(1)在蓝宝石衬底上采用PECVD方法生长两层石墨烯；(2)在沉积有石墨烯薄膜的蓝宝石上依次生长掺杂Si的N型GaN层、周期性生长MQW有源层、P型AlGaN层、掺杂Mg的P型GaN层。该方法采用两步沉积生长均匀的石墨烯薄膜作为缓冲层，解决晶格失配诱发的缺陷引起的异质外延生长难题，提高外延晶体质量，提升LED的光电性能。但是，该方法仍然存在的不足之处是：

1、由于该方法需要制备高质量两层石墨烯插入层，但是因为石墨烯的重复性和可靠性差，所以石墨烯插入层质量不高。

2、由于该方法直接在石墨烯上外延GaN，会在生长过程中造成石墨烯的重新成核，从而降低GaN外延层质量。

上述两个问题的存在，均影响到GaN材料的晶体质量，从而降低LED的发光效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的存在不足，提供一种基于石墨烯插入层结构的GaN基LED器件制备方法，以提高石墨烯插入层和GaN外延层质量，从而提高LED的发光效率。

为实现上述目的，本发明的具体思路是：通过在蓝宝石衬底上磁控溅射一层氮化铝薄膜，缓解衬底与石墨烯之间由于晶格失配产生的应力；通过石墨烯插入层实现背面粗化，提高衬底处的光提取效率并改善导热性能；通过石墨烯插入层的缓冲作用，提高GaN外延层质量；通过调节各层生长的压力、流量、温度以及厚度等生长条件，减少石墨烯和GaN的晶格缺陷，提高石墨烯插入层和GaN外延层的质量，并提高LED器件性能。

其实现步骤包括如下：

(1)在蓝宝石衬底上磁控溅射氮化铝，得到溅射氮化铝基板；

(2)生长、转移石墨烯：

(2a)采用化学气相淀积法，在金属衬底上生长石墨烯层；