专利名称：一种iii族氮化物衬底的生长方法、衬底以及led的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件与工艺技术领域，尤其涉及一种III族氮化物衬底的生长方法以及衬底。
背景技术：
氮化镓与氮化铟、氮化铝等III族氮化物及其三元合金，作为第三代半导体材料， 是近年来半导体材料领域的研究热点，同时也已大量应用于生产生活中的多个领域。III族氮化物及其合金都是直接带隙半导体，特别是三种组分组成的合金的通过调整其组分的比例可以将禁带宽度连续的控制在从1.9eV到6. 的范围内。此外，由III族氮化物及其合金制成的异质结结构，可形成高浓度、高迁移率的二维电子气，弥补了宽禁带半导体电子有效质量大、迁移率低的缺陷。目前，III族氮化物的主要应用领域包括蓝、绿光发光二极管、激光二极管，高频、高温电子器件，太阳能电池等。随着缓冲层技术与III族氮化物P型掺杂技术的成熟，III族氮化物材料的研究已取得了阶段性的成果。如InGaN等高亮度蓝、 绿光发光二极管目前已实现产业化。而日本的日亚公司(Nichia)和美国的Cree公司等著名生产商多年来也一直在从事氮化镓基发光二极管的生产和研究。石墨烯作为一种非常新颖的材料，可利用化学气相沉积，石墨氧化还原和机械解理等方法制得，是一种零带隙、半金属的二维材料。石墨烯中的载流子运动速度可达到光速的1/300，其电子迁移率实验测量值超过15000cm2/VS (载流子浓度η ^ 1013cm_2)，在10 100K范围内，迁移率几乎与温度无关。石墨烯的晶格常数是0. 246nm,氮化镓C面的晶格常数是0.319nm，二者的比例接近3 4，在这个比例上的晶格失配不超过3%。此外，石墨烯具有较低的载流子注入势垒，材质柔软，热力学稳定性强，被认为在将来会成为应用于电子学和光电子学领域的一种关键材料。上述石墨烯优异的电学特性与III族氮化物优良的光电特性相结合，有利于提高传统的以氮化物为基础的半导体器件性能。在此方面文献中已有过报道，例如2010年发表于Nanotechnology第21 期 175201 页的文献Large-scalepatterned multilayer grapheme films as transparent conducting electrodes for GaNlight-emitting diodes 中就提到在氮化镓发光二极管中用石墨烯代替ITO导电玻璃作为透明电极的应用。但在这些报道中石墨烯的转移到III族氮化物表面的方法比较复杂(如旋涂聚二甲基硅烷，化学腐蚀，再溶解聚二甲基硅烷等步骤)，且容易引起石墨烯的褶皱和引入杂质。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种III族氮化物衬底的生长方法及其衬底，将III族氮化物直接生长在石墨烯表面，有助于克服生长工艺复杂，以及石墨烯褶皱和引入杂质等问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种III族氮化物衬底的生长方法，包括如下步骤提供支撑衬底，所述支撑衬底的表面为第一 III族氮化物半导体层；在支撑衬底的第一III族氮化物半导体层表面形成石墨烯层；在石墨烯层表面形成第二 III族氮化物半导体层。作为可选的技术方案，所述石墨烯层的制备方法选自于化学气相沉积的方法或者石墨氧化还原方法中的一种。作为可选的技术方案，所述石墨烯层的厚度为1 100个原子层。作为可选的技术方案，采用MOCVD工艺制备第二 III族氮化物半导体层。作为可选的技术方案，所述第一与第二 III族氮化物半导体层的材料各自独立地选自于氮化镓、氮化铝、氮化铟中的一种或组合。本发明进一步提供了一种III族氮化物衬底，包括支撑衬底，所述支撑衬底的表面为第一 III族氮化物半导体层；支撑衬底的第一 III族氮化物半导体层表面的石墨烯层； 以及石墨烯层表面的第二 III族氮化物半导体层。作为可选的技术方案，所述石墨烯层的厚度为1 100个原子层。作为可选的技术方案，所述第一与第二 III族氮化物半导体层的材料各自独立地选自于氮化镓、氮化铝、氮化铟中的一种或组合。一种III族氮化物LED，包括支撑衬底，所述支撑衬底的表面为第一 III族氮化物半导体层；支撑衬底的第一 III族氮化物半导体层表面的石墨烯层；石墨烯层表面的第
二III族氮化物半导体层，所述第二 III族氮化物层进一步包括第一导电类型半导体层、 第二导电类型半导体层和夹在两者之间的有源层，其中第一导电类型半导体层与石墨烯接触；第一电极与第二电极，其中第一电极与石墨烯接触，第二电极与第二导电类型半导体层接触。本发明的优点在于，采用III族氮化物衬底作为生长衬底，再依次生长石墨烯和 111族氮化物，生长工艺简单，且不会在生产过程中引入杂质。
附图1所示是采用本发明具体实施方式
所述方法生长的III族氮化物衬底的结构示意图。附图2所示即为以附图1的结构为基础形成的LED结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提供的一种III族氮化物衬底的生长方法以及衬底的具体实施方式
做详细说明。以下以采用MOCVD工艺生长feiN为例进行说明，对于A1N、InN以及InGaN等材料除了在生长工艺的具体参数上略有不同之外，其余均与以下实施方式大致相同。石墨烯的制备可选用化学气相沉积的方法或者石墨氧化还原方法制备，优选化学气相沉积方法。关于化学气相沉积法的具体实施方式
属于公知技术，此处不再详细叙述。石墨烯的转移在石墨烯薄膜上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)层，由于PDMS有一定的粘性，可以粘附石墨烯薄膜层，并利用化学方法腐蚀石墨烯衬底，从而将石墨烯薄膜层从生长衬底上剥离。将石墨烯薄膜与PDMS层构成的复合薄膜层压印在本征GaN晶体表面。此步骤中，石墨烯薄膜与本征GaN晶体紧密贴合。这里的本征GaN晶体可以是采用HPVE等技术生长的自支撑衬底，或者是采用MOCVD等技术在蓝宝石等支撑衬底上生长的晶体薄膜。以上述转移到GaN表面上的石墨烯为缓冲层生长GaN，具体步骤如下衬底加热将覆盖有石墨烯的本征GaN晶体支撑体放入一个无氧且无氢的反应容器中加热至800 IOOO0C0生长氮化镓在上述衬底温度下，向反应容器内通入流量为150 200 μ mol/min 的三甲基镓和9 12slpm的氨气，生长1 10个小时。此步骤也可以选用MBE或者HVPE， 但生长过程中的最低温度应当高于GaN支撑衬底表面的熔点。附图1所示是采用上述方法生长的III族氮化物衬底，包括GaN层1、石墨烯层2 以及GaN支撑衬底3。当然，也可以选用其他的材料代替GaN支撑衬底3，例如A1N、InP或者它们三者的合金，表面的GaN层也可以代之以A1N、InP或者它们三者的合金。以何种材料作为支撑衬底并在石墨烯表面生长何种晶体，可以由本领域技术人员自由选择。上述结构可以用作制作LED结构。在上述III族氮化物衬底上继续生长带有源层的LED发光结构，并采用常规方法刻蚀电极，即形成附图2所示的附图1的结构为基础形成的LED结构，包括支撑衬底20，所述支撑衬底20的表面为第一 III族氮化物半导体层21 ； 第一 III族氮化物半导体层21表面的石墨烯层23 ；石墨烯层23表面的第二 III族氮化物半导体层22，所述第二 III族氮化物层22进一步包括第一导电类型半导体层221、第二导电类型半导体层222和夹在两者之间的有源层223，其中第一导电类型半导体层221与石墨烯层23接触；第一电极241与第二电极M2，其中第一电极241与石墨烯层23接触，第二电极242与第二导电类型半导体层222接触。采用上述结构的LED的优点在于，LED工作电流的路径将是沿着“第一电极Ml-石墨烯层23-第二 III族氮化物半导体层22-第二电极M2”的路径进行，石墨烯层23的电导率很高，与金属类似，故此结构实现了电流在LED内部的垂直流动，降低了 LED的串联电阻，效果相当于垂直结构的LED。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种III族氮化物衬底的生长方法，其特征在于，包括如下步骤提供支撑衬底，所述支撑衬底的表面为第一 III族氮化物半导体层；在支撑衬底的第一 III族氮化物半导体层表面形成石墨烯层；在石墨烯层表面形成第二 III族氮化物半导体层。
2.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述石墨烯层的制备方法选自于化学气相沉积的方法或者石墨氧化还原方法中的一种。
3.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为1 100个原子层。
4.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，采用MOCVD工艺制备第二III族氮化物半导体层。
5.根据权利要求1所述的生长方法，其特征在于，所述第一与第二III族氮化物半导体层的材料各自独立地选自于氮化镓、氮化铝、氮化铟中的一种或组合。
6.一种III族氮化物衬底，其特征在于，包括支撑衬底，所述支撑衬底的表面为第一 III族氮化物半导体层；支撑衬底的第一 III族氮化物半导体层表面的石墨烯层；以及石墨烯层表面的第二 III族氮化物半导体层。
7.根据权利要求6所述的III族氮化物衬底，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为1 100个原子层。
8.根据权利要求6所述的III族氮化物衬底，其特征在于，所述第一与第二III族氮化物半导体层的材料各自独立地选自于氮化镓、氮化铝、氮化铟中的一种或组合。
9.一种III族氮化物LED，其特征在于，包括支撑衬底，所述支撑衬底的表面为第一 III族氮化物半导体层；第一 III族氮化物半导体层表面的石墨烯层；石墨烯层表面的第二 III族氮化物半导体层，所述第二 III族氮化物层进一步包括第一导电类型半导体层、第二导电类型半导体层和夹在两者之间的有源层，其中第一导电类型半导体层与石墨烯层接触；第一电极与第二电极，其中第一电极与石墨烯层接触，第二电极与第二导电类型半导体层接触。
全文摘要
一种III族氮化物衬底的生长方法，包括如下步骤提供支撑衬底，所述支撑衬底的材料为铜；在支撑衬底表面形成石墨烯层；在石墨烯层表面形成III族氮化物半导体层，此步骤中III族氮化物半导体层的最高生长温度低于铜的熔点。本发明的优点在于，采用既导电又具有较高熔点的金属铜衬底，依次生长石墨烯和III族氮化物，生长工艺简单，且不会在生产过程中引入杂质。
文档编号H01L33/00GK102201503SQ20111007813
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者任国强, 刘争晖, 徐科, 徐耿钊, 樊英民, 王建峰, 蔡德敏, 钟海舰 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所, 苏州纳维科技有限公司