[发明专利]一种适合石墨烯生长的衬底材料及其制作方法

说明书

本发明公开了一种适合石墨烯生长的衬底材料及其制作方法，包括以下步骤：1)对蓝宝石晶体进行切割，形成蓝宝石片状体毛坯；2)将所述蓝宝石片状体毛坯进行研磨，形成蓝宝石片状体半成品；3)将所述蓝宝石片状体半成品进行倒角、退火和抛光，获得适合石墨烯生长的蓝宝石片状体成品。采用上述技术方案后，加工流程切割研磨抛光各自优化参数作业下，加工良率可获得直通良率为97％以上；外延波长均匀性可收敛至std1.5比例达到95％以上；能够避免生长石墨稀时不因衬底局部型变或全区域型变造成质量不稳定的事情发生。

技术领域

本发明涉及一种适合石墨烯生长的衬底材料及其制作方法。

背景技术

可见光发光二级体(LED)以III族氮化物半导体为原材，其具有使用节能、环保与可靠性高等优点,在显屏、背光和照明等领域上应用日益普及。但同质化衬底目前尚缺量产技术，故应用上仍普遍使用异质化衬底作为基板材料，如蓝宝石(Sapphire,Al2O3)，碳化硅(SiC)或是硅(Si)基板等。而上述三种中则以蓝宝石衬底的外延磊晶(Epitaxy)生产技术较为成熟，且加工作业后产品质量较好，价格也具有优势，故市场上多数仍以蓝宝石作为外延片生长材料。

近年因追求产品质量的提升以及成本下降等因素下，大尺寸蓝宝石衬底陆续研发推展，并逐步导入量产。大尺寸蓝宝石衬底是一种有效降低成本的方法，但也随者外延磊晶后的均匀性与控制率的要求逐步提升，故在提升衬底质量上必须进行研究找出最佳的制作方法，方能提升产品性能与质量。最近业界提出来在蓝宝石衬底和外延层之间制作石墨烯表面薄膜的技术，可使将其作为外延(GaN)生长缓冲层，可降低GaN薄膜中的应力与具有低位错密度，提升LED器件光输出功率。

氮化镓(Gallium nitride,GaN)生长在异质衬底，如蓝宝石、碳化硅、硅等衬底上，这些衬底与GaN之间存在较大的晶格失配与热失配，使得外延GaN薄膜内具有很大的应力，并有较高的错位密度，使发光效率降低。故如何生长出低应力与高质量的GaN薄膜对于LED性能的提升尤为重要。日前，由北京大学刘忠范院士的纳米化学研究中心团队和中科院半导体所李晋闽研究员的半导体照明中心团队合作，提出利用石墨烯作为GaN生长缓冲层来实现高亮LED的新策略。在该工作中，研究人员利用CVD的方法，在蓝宝石上直接生长石墨烯，避免了石墨烯转移过程中的污染、破损问题，可规模化制备。在石墨烯/蓝宝石上直接生长的GaN薄膜具有极低应力(0.16GPa)与位错密度(～10e8×cm-2)，得到的蓝光LED与传统工艺得到的器件相比，光输出功率提升高达19.1％。值得强调的是，利用CVD法在蓝宝石衬底上生长石墨烯薄膜，并将其作为GaN外延生长缓冲层，可以大幅度降低GaN薄膜中的应力，将低位错密度，提升LED器件光输出功率。相比于传统工艺，此方法还省略了低温缓冲层，节省MOCVD生长机时，降低成本。该工作为石墨烯的大规模关键应用提供了新思路，并为LED照明的性能提升提供了切实可行的方法。

此外，石墨烯/蓝宝石新型外延衬底与离子体预处理改性石墨烯，亦可促进AlN薄膜生长实现深紫外(DUV)LED的新方法，据文献指出，通过DFT计算发现，等离子体预处理向石墨烯中引入的吡咯氮，可以有效促进AlN薄膜的成核生长。在较短的时间内即可获得高品质AlN薄膜，其具有低应力、较低的位错密度，深紫外LED器件表现出了良好的器件性能。而深紫外LED可以广泛应用于杀毒、消菌、印刷和通信等领域。AlN材料质量是深紫外LED的核心因素之一，AlN薄膜主要是通过沉积的方式将异质外延生长在蓝宝石、SiC和Si衬底上。AlN与衬底之间存在较大的晶格失配与热失配，使得外延层中存在较大的应力与较高的位错密度，严重降低器件性能。魏同波与刘忠范团队合作提出了石墨烯/NPSS纳米图形衬底外延AlN的生长模型，理论计算和实验验证了石墨烯表面金属原子迁移增强规律，石墨烯使NPSS上AlN的合并时间缩短三分之二，同时深紫外LED功率得到明显提高，使深紫外光源有望成为石墨烯产业化的一个突破口。