本发明属于半导体器件领域，更具体地，涉及一种深紫外led的异质外延衬底及其制备方法和应用。
背景技术：
紫外线虽然不能被人类眼睛所感知，但其应用却非常广泛，特别是波长小于280nm的深紫外线，在杀菌消毒、空气净化、水净化、生探测、非视距通信等方面发挥着重要作用。而作为传统深紫外光源的汞灯，由于含有剧毒的汞金属，对人体和环境的危害极大。同时，汞灯体积大、功耗高、电压高等缺点非常不利于其在日常生活及特殊环境下的应用。2020年，中国将根据联合国《关于汞的水俣公约》要求，禁止高压汞灯、含汞荧光灯等产品的生产和使用。因此，发展一种新型高效深紫外光源替代传统汞灯，既是深紫外光源的发展趋势，也是我国经济社会可持续发展的迫切需求。
algan是一种直接带隙宽禁带半导体材料，其禁带宽度可通过改变al元素的掺入量从3.4ev(gan)到6.2ev(aln)连续可调，实现365nm到200nm光谱范围内的发光，且具有物理化学性质稳定、耐高温、抗辐照等优异性能，是当前制备半导体深紫外光源器件的最佳候选材料。而且，algan基深紫外发光二极管(led)相比于传统汞灯具有体积小、功耗低、环保安全和集成度高等诸多优势，将有望在未来几年取得突破性进展以及巨大应用，近年来受到越来越多的关注和重视。
目前深紫外led主要采用蓝宝石作为异质外延衬底。但蓝宝石与外延材料存在较大晶格常数和热膨胀系数差异，在异质外延生长过程中，由于晶格失配，在材料内部容易形成高密度晶界和位错等缺陷(高达109cm-2量级)。这些缺陷部分会贯穿到量子阱有源区，产生非辐射复合中心，直接影响器件的量子效率。
技术实现要素：
本发明提供一种深紫外led的异质外延衬底及其制备方法和应用，用以解决现有蓝宝石衬底上异质外延生长的薄膜材料内部存在较高密度晶界和位错缺陷的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种深紫外led的异质外延衬底，其为由纳米片和蓝宝石衬底构成的复合衬底；其中，所述纳米片均匀地物理覆盖于蓝宝石衬底表面，且所述纳米片的熔点高于深紫外led外延材料的生长温度，且表面直径大小为5-1000nm。
本发明的有益效果是：本发明采用纳米片和蓝宝石衬底复合构成衬底，外延材料不能在纳米片上成核，因此可以延缓外延材料的愈合过程，而在愈合的过程中，大部分因外延材料和蓝宝石晶格不匹配所造成的位错由于镜像力而弯曲，只有少量位错继续向上延伸，能够有效的降低外延层表面处的位错密度，提高了深紫外led的晶体质量。
上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述纳米片为石墨烯纳米片。
进一步，所述纳米片为氮化硼纳米片。
本发明的进一步有益效果是：石墨烯纳米片材料和氮化硼纳米片材料均具备较高的导热性，采用这种纳米片制备的复合衬底，可以使得器件使用过程的热量通过石墨烯纳米片或氮化硼纳米片导出，提高了器件的散热性能，从而实现高效率的深紫外led芯片。
本发明还提供一种如上所述的深紫外led的异质外延衬底的制备方法，将纳米片以溶液的形式旋涂或喷涂于蓝宝石衬底表面，并通过干燥制备得到。
本发明的有益效果是：通过旋涂或喷涂的方式即可制备的复合衬底，工艺简单，方便工业化应用。
本发明还提供一种深紫外led器件，采用如上所述的异质外延衬底。
本发明的有益效果是：基于上述提出的复合衬底生长深紫外led结构，可以实现侧向外延生长，有效降低外延材料的位错密度。
进一步，其结构从下往上依次为所述异质外延衬底、aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
本发明还提供一种如上所述的深紫外led器件的制备方法，包括：
将如上所述的深紫外led的异质外延衬底直接置于金属有机化合物化学气相沉积系统内依次生长aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
首先将纳米片以溶液的形式旋涂或喷涂于蓝宝石衬底表面，并通过干燥制备得到如上所述的深紫外led的异质外延衬底，再将该异质外延衬底置于金属有机化合物化学气相沉积系统内依次生长aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
附图说明
图1为本发明实施例提供的纳米片/蓝宝石复合衬底降低aln外延材料位错密度的机理示意图；
图2为本发明实施例提供的在纳米片/蓝宝石复合衬底上生长的深紫外led的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
一种深紫外led的异质外延衬底，其为由纳米片和蓝宝石衬底构成的复合衬底；其中，纳米片均匀地物理覆盖于蓝宝石衬底表面，且纳米片的熔点高于深紫外led外延材料的生长温度，且表面直径大小为5-1000nm。
相对于普通蓝宝石衬底，本实施例提出的纳米片/蓝宝石复合衬底可以降低led中的位错密度，提升器件的效率。其主要机理是：如图1所示，由于外延材料不能在纳米片上成核，因此可以延缓外延材料的愈合过程，更多的位错在愈合过程中弯曲湮灭，从而提高了深紫外led的晶体质量。具体的，在蓝宝石衬底上生长aln外延材料时，一般而言由于aln外延材料和蓝宝石衬底的晶格不匹配，因此aln外延材料内部具有较高的位错，如图1的左图，其密度可达109cm-2。这些位错形成非辐射复合中心，降低led的发光效率。针对此问题，本实施例提出纳米片/蓝宝石复合衬底。如图1的右图所示，由于被纳米片覆盖的区域不能生长aln外延材料，因此可以延缓aln外延材料的愈合过程，而在愈合的过程中，大部分位错由于镜像力而弯曲，只有少量位错继续向上延伸，有效的降低了外延层表面处的位错密度，提高了深紫外led的晶体质量。
需要说明的是，首先，所选纳米片熔点高于深紫外led外延材料的生长温度，在生长外延材料时不会完全分解，同时纳米片材料在高温下分解产生的原子不对外延材料晶格结构产生影响。其次，所选纳米片表面直径大小为5-1000nm，这个尺寸是考虑到：外延层最终要在衬底表面上长平，纳米片如果太大，会导致不能生长aln外延材料的区域过多，后续愈合的过程中外延材料无法长平。因此，在常规蓝宝石衬底大小条件下，选择纳米级别尺寸的纳米片能够保证外延层长平且达到降低位错密度的目的。另外，由于在纳米片的表面没有悬挂键，因此前述的外延材料不能在纳米片上成核。
优选的，纳米片为石墨烯纳米片或氮化硼纳米片。
传统的蓝宝石衬底不仅如上所述的容易导致外延材料生长存在位错密度等的缺陷，其导热率也较为差，不利于紫外led器件的散热。本实施例优选石墨烯纳米片材料和氮化硼纳米片材料，其具备较高的导热性，采用这种复合衬底，可以使得器件使用过程的热量通过石墨烯纳米片或氮化硼纳米片导出，提高了器件的散热性能，从而实现高效率的深紫外led芯片。因此，相对于普通蓝宝石衬底，石墨烯纳米片/蓝宝石复合衬底或氮化硼纳米片/蓝宝石复合衬底可以提高led的热稳定性。
实施例二
一种如实施例一所述的深紫外led的异质外延衬底的制备方法，将纳米片以溶液的形式旋涂或喷涂于蓝宝石衬底表面，并通过干燥制备得到。
通过旋涂或喷涂的方式即可制备的复合衬底，工艺简单，方便工业化应用。
实施例三
一种深紫外led器件，采用如实施例一所述的异质外延衬底。
基于实施例一提出的复合衬底生长深紫外led结构，可以实现侧向外延生长，有效降低外延材料的位错密度。
优选的，其结构从下往上依次为上述异质外延衬底、aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
如图2所示，一种新型的石墨烯纳米片/蓝宝石复合衬底，此复合衬底可以有效提高深紫外led的光功率和散热性能。其结构包括：石墨烯纳米片/蓝宝石复合衬底；aln本征层；n型algan电子注入层；量子阱有源区；p型algan电子阻挡层；p型gan层。
实施例四
一种如实施例三所述的深紫外led的制备方法，包括：
将如实施例一所述的深紫外led的异质外延衬底直接置于金属有机化合物化学气相沉积系统内依次生长aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
首先将纳米片以溶液的形式旋涂或喷涂于蓝宝石衬底表面，并通过干燥制备得到如实施例一所述的深紫外led的异质外延衬底，再将该异质外延衬底置于金属有机化合物化学气相沉积系统内依次生长aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
具体的，石墨烯纳米片为例，各层制备条件如下：
1)石墨烯纳米片/蓝宝石复合衬底：将直径为5nm-1000nm的石墨烯纳米片，采用旋涂(转速500-5000转/分钟)或者喷涂的方式沉积于(均匀覆盖)蓝宝石衬底表面，然后将此衬底放于烘箱中烘烤24h(温度50-200℃)。
2)aln本征层：将步骤1中的衬底放入金属有机化合物化学气相沉积系统开始生长aln层。生长温度1200℃～1400℃，厚度为500nm～4000nm，生长过程中的al源为三甲基铝，ga源为三甲基镓或者三乙基镓，n源为氨气。
3)n型algan电子注入层：生长温度为800℃～1200℃，其al组分为20％～90％，厚度为500nm～4000nm。使用si作为n型掺杂剂。
4)量子阱有源区：生长温度为700℃～1100℃，其势垒厚度为5nm～30nm，al组分为20％～100％，势阱厚度为0.1nm～5nm，al组分为0％～80％。
5)p型algan电子阻挡层：生长温度在700℃～1100℃，厚度为10nm～50nm，其al组分为50％～90％。
6)p型gan层：生长温度为400℃～900℃，厚度为1-200nm，使用mg作为p型掺杂剂。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种深紫外led的异质外延衬底，其特征在于，其为由纳米片和蓝宝石衬底构成的复合衬底；其中，所述纳米片均匀地物理覆盖于蓝宝石衬底表面，且所述纳米片的熔点高于深紫外led外延材料的生长温度，且表面直径大小为5-1000nm。
2.根据权利要求1所述的一种深紫外led的异质外延衬底，其特征在于，所述纳米片为石墨烯纳米片。
3.根据权利要求1所述的一种深紫外led的异质外延衬底，其特征在于，所述纳米片为氮化硼纳米片。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的深紫外led的异质外延衬底的制备方法，其特征在于，将纳米片以溶液的形式旋涂或喷涂于蓝宝石衬底表面，并通过干燥制备得到。
5.一种深紫外led器件，其特征在于，采用如权利要求1至3任一项所述的异质外延衬底。
6.根据权利要求5所述的深紫外led器件，其特征在于，其结构从下往上依次为所述异质外延衬底、aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
7.一种如权利要求6所述的深紫外led器件的制备方法，其特征在于，包括：
将如权利要求1至3任一项所述的深紫外led的异质外延衬底直接置于金属有机化合物化学气相沉积系统内依次生长aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
首先将纳米片以溶液的形式旋涂或喷涂于蓝宝石衬底表面，并通过干燥制备得到如权利要求1至3任一项所述的深紫外led的异质外延衬底，再将该异质外延衬底置于金属有机化合物化学气相沉积系统内依次生长aln本征层、n型algan电子注入层、量子阱有源区、p型algan电子阻挡层和p型gan层。
技术总结