CN104538526A - 一种基于铜衬底的氮化物led外延片结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构及其制备方法，包括铜衬底、二维衍生膜及氮化物外延层，所述二维衍生膜位于所述铜衬底及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜附着在所述铜衬底的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜上。制备步骤包括在铜衬底上制备一层或两层以上的二维衍生膜层以及在所述具有二维衍生膜层的铜衬底上生长氮化物外延层。采用本发明所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构后，可以实现在金属铜衬底上进行具有较高晶体质量的氮化物外延生长，不仅节约了成本，而且改善了器件光、电、热学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构及其制备方法，属于LED光电子器件的制造技术领域。
背景技术
使用氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1；纤锌矿晶体结构)半导体材料制作的发光二极管LED以其节能、环保、长寿命等优点逐渐在电子显示屏、景观照明、矿灯、路灯、液晶显示器背光源、普通照明、光盘信息存储、生物医药等领域展开广泛应用。上述化合物半导体可以覆盖从红外、可见到紫外光的全部光谱能量范围，而通过控制氮化物合金的阳离子组分可以准确地定制LED器件的发射波长。从应用领域范围、市场容量来看，又以氮化物LED的应用为大宗、主流，比如，以白光LED为应用代表的半导体照明行业。
制作氮化物LED时，首先在衬底上进行氮化物LED结构的外延膜层生长，然后进行芯片器件加工得到分离的器件单元，即芯片。常见的外延生长方法包括：有机金属化学气相沉积(MOCVD)、氢化物气相外延(HVPE)、脉冲溅射沉积(PSD)、射频磁控溅射(RF-MS)、分子束外延(MBE)、脉冲激光沉积(PLD)、远程等离子体增强化学气相沉积(RPCVD)等***。其中，MOCVD和HVPE方法的生长温度较高，在1000-1250℃范围；而PSD、RF-MS、MBE、PLD和RPCVD方法的生长温度较低，在20-1050℃范围不等。
LED芯片器件加工主要是使用光刻、反应离子刻蚀(RIE)、电子束蒸镀(e-Beam)、磁控溅射(MS)、等离子增强化学气相沉积(PECVD)等方法制作p、n型电极及介电保护层等。
目前，产业界制作氮化物LED仍然以异质外生长为主，所选用的衬底主要有三种单晶材料，分别是蓝宝石(α-Al2O3)、SiC(包括4H-SiC和6H-SiC)、Si。外延生长程就是在这些与氮化物AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y≤1；x+y≤1)晶格常数接近的单晶材料上生长氮化物单晶薄膜。
根据衬底材料的选择不同，外延片和芯片制作的技术路线也会不同。例如，基于蓝宝石衬底进行氮化物LED外延结构中的缓冲层往往是不导电的，而芯片产品主要有：正装、倒装和薄膜芯片三种类型。由于蓝宝石衬底对于可见光的吸收系数很小，因此通过制作正装或倒装芯片的形式，均能够实现较好的出光效率。由于蓝宝石衬底不导电，因此制作垂直结构芯片(即垂直芯片)就必须去掉它。以薄膜芯片为代表的垂直芯片通常采用激光剥离的办法来实现蓝宝石衬底和外延层的分离，但是这种方法工艺复杂、设备昂贵、过程良率不高。又比如，使用n型导电SiC衬底进行LED结构生长的外延片可以制作n型导电的缓冲层，以便后期制作垂直结构的芯片。此外，还有使用非导电型SiC衬底进行氮化物外延生长，进而制作正装芯片的技术线路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低衬底使用成本，提高LED器件的电流注入效率和热量管理能力的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，包括铜衬底、二维衍生膜及氮化物外延层，所述二维衍生膜位于所述铜衬底及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜附着在所述铜衬底的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜上；其中，
所述铜衬底为仅由金属铜材质组成的自支撑薄片，或者为其它材质衬底上附着一层或两层以上的金属薄膜组成的复合衬底；
所述二维衍生膜由一层或两层以上的二维纳米片材料构成，且所述二维纳米片材料包括石墨烯、六方氮化硼中的任意一种或两种的组合。
本发明的有益效果是：
采用本发明所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构后，可以实现在金属铜衬底上进行具有较高晶体质量的氮化物外延生长，不仅节约了成本，而且改善了器件的光、电、热学性能。
石墨烯、六方氮化硼是新型二维纳米片材料，它们的原子之通过sp2电子轨道连接在一起，可使用它们制作二维衍生膜。通常，石墨烯或六方氮化硼材料由一层或多层构成，表现优异的电学、热学和力学机械性能。此外，由于石墨烯或六方氮化硼具有六角密排的原子格位，与纤锌矿结构的氮化物晶体中各层原子的排布情形相同，因此在石墨烯或六方氮化硼上进行氮化物外延生长能实现较高的晶体质量。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述其它材质包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼、锗、二氧化硅、砷化镓、磷化铟、氧化锌、氧化镓、尖晶石、铝酸锂、铝镁酸钪、镓酸锂、铝镁酸钪、铌酸锂、硼化锆或硼化铪中的至少一种；所述金属薄膜由至少一层金属铜薄膜组成；或者所述金属薄膜的材质为Cu、Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh、W、Ti、Sn、Au、Al或Pd中的任意一种或两种以上的混合，且至少有一层金属铜薄膜处于所述复合衬底的最表层。
进一步，所述二维衍生膜的原子呈六角蜂窝状排布。
进一步，所述氮化物外延层由从下至上依次叠加的缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层构成，且所述缓冲层附着在所述二维衍生膜上。
进一步，所述缓冲层的厚度为0.001～10μm；所述n型电子注入层的厚度为0.1～20μm；所述有源层的厚度为1～2000nm；所述p型空穴注入层的厚度为0.05～5μm。
进一步，所述缓冲层包括至少一个缓冲层子层，所述缓冲层子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；
每个所述缓冲层子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；
所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；
所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
进一步，所述n型电子注入层包括一个以上的n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；
每个所述n型子层分别进行n型掺杂，且n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。
进一步，所述有源层包括一个以上的薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；
每个所述薄膜子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；
所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；
所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
进一步，所述p型空穴注入层包括一个以上的p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；
每个所述p型子层分别进行p型掺杂，且每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：
一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法，包括以下步骤：
1)在铜衬底上制备一层或两层以上的二维衍生膜层，制得具有二维衍生膜层的铜衬底；具体包括三种制备方法：
制备方法一，在铜衬底上直接使用化学气相沉积的方法制备一层或两层以上的石墨烯层或者六方氮化硼层；
制备方法二，通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法在Si C衬底上制备出石墨烯层或六方氮化硼膜层，然后将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层再转移到铜衬底上；
制备方法三，通过化学气相沉积的方法在其它金属衬底上制备出石墨烯层或六方氮化硼膜层，然后将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层再转移到铜衬底上；
2)在所述具有二维衍生膜层的铜衬底上生长氮化物外延层，依次生长顺序为：缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层。
进一步，在制备方法一中，所述制备石墨烯层的具体步骤如下：将铜衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1050℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在铜衬底上生成石墨烯层；
所述制备六方氮化硼的具体步骤如下：将铜衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1050℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物，或着单独通入硼氮氢化合物，在铜衬底上生成六方氮化硼层。
进一步，在制备方法二中，所述石墨烯层是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法制得：
所述高温退火的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛的环境中，通过衬底表面硅原子的升华而实现石墨化进而得到石墨烯层；
所述化学气相沉积的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入化学气相沉积***中，在温度为1300～1800℃条件下同时通入氩气和碳氢化合物，在SiC衬底上生成石墨烯层；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃条件下，同时通入氨气和硼氢化合物，或着单独通入硼氮氢化合物，在SiC衬底上生成所述六方氮化硼层；
将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层转移到铜衬底上的具体步骤如下：首先，在制备完所述石墨烯层或六方氮化硼膜层的S i C衬底上蒸镀至少一层金属镍薄膜；然后，使用粘胶膜紧贴在金属镍薄膜上，并将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层和金属镍薄膜一起机械剥离下来；之后，将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层压合在金属铜衬底上；最后，使用加热方法去掉粘胶膜，并使用化学试剂溶解或腐蚀掉金属镍薄膜。
进一步，在制备方法三中，所述石墨烯层是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将其它金属衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1200℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在金属衬底上生成石墨烯层；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将其它金属衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1200℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在金属衬底上生成所述六方氮化硼层；
将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层转移到铜衬底上的具体步骤如下：使用聚合物作为支撑层，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，覆盖在制备完石墨烯层或六方氮化硼层的其它金属衬底上；然后再使用过硫酸铵溶液等化学试剂溶解或腐蚀掉其它金属衬底，附着在聚合物上的石墨烯层或六方氮化硼层转移到铜衬底上；最后再使用丙酮等化学溶剂去掉聚合物的支撑层。
进一步，所述其它金属衬底的材质为Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh或Pd中的任意一种或两种以上的混合。
进一步，所述氮化物外延层的制备方法包括脉冲溅射沉积、射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、远程等离子体增强化学气相沉积中的至少一种，且生长温度范围为20～1050℃。
附图说明
图1为本发明基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的结构示意图；
图2为本发明实施例1中基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的结构示意图；
图3为本发明实施例2中基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的结构示意图；
图4为本发明实施例3中基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的结构示意图；
图5为本发明实施例4中基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的结构示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
100、铜衬底，200、二维衍生膜，301、缓冲层，302、n型电子注入层，303、有源层,304、p型空穴注入层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，包括铜衬底100、二维衍生膜200及氮化物外延层，所述二维衍生膜200位于所述铜衬底100及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜200附着在所述铜衬底100的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜200上；其中，
所述铜衬底100为仅由金属铜材质组成的自支撑薄片，或者为其它材质衬底上附着一层或两层以上的金属薄膜组成的复合衬底；所述其它材质包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼、锗、二氧化硅、砷化镓、磷化铟、氧化锌、氧化镓、尖晶石、铝酸锂、铝镁酸钪、镓酸锂、铝镁酸钪、铌酸锂、硼化锆或硼化铪中的至少一种；所述金属薄膜由至少一层金属铜薄膜组成；或者所述金属薄膜的材质为Cu、Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh、W、Ti、Sn、Au、Al或Pd中的任意一种或两种以上的混合，且至少有一层金属铜薄膜处于所述复合衬底的最表层。
所述二维衍生膜200由一层或两层以上的二维纳米片材料构成，且所述二维纳米片材料包括石墨烯、六方氮化硼中的任意一种或两种的组合。
所述二维衍生膜的原子呈六角蜂窝状排布。
所述氮化物外延层由从下至上依次叠加的缓冲层301、n型电子注入层302、有源层303和p型空穴注入层304构成，且所述缓冲层301附着在所述二维衍生膜200上。
所述缓冲层301的厚度为0.001～10μm；所述n型电子注入层302的厚度为0.1～20μm；所述有源层303的厚度为1～2000nm；所述p型空穴注入层304的厚度为0.05～5μm。
所述缓冲层包括至少一个缓冲层子层，所述缓冲层子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；每个所述缓冲层子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
所述n型电子注入层包括一个以上的n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述n型子层分别进行n型掺杂，且n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。
所述有源层包括一个以上的薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述薄膜子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
所述p型空穴注入层包括一个以上的p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；每个所述p型子层分别进行p型掺杂，且每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法，包括以下步骤：
1)在铜衬底上制备一层或两层以上的二维衍生膜层，制得具有二维衍生膜层的铜衬底；具体包括三种制备方法：
制备方法一，在铜衬底上直接使用化学气相沉积的方法制备一层或两层以上的石墨烯层或者六方氮化硼层；
所述制备石墨烯层的具体步骤如下：将铜衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1050℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在铜衬底上生成石墨烯层；
所述制备六方氮化硼的具体步骤如下：将铜衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1050℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物，或着单独通入硼氮氢化合物，在铜衬底上生成六方氮化硼层。
制备方法二，通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法在Si C衬底上制备出石墨烯层或六方氮化硼膜层，然后将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层再转移到铜衬底上；
所述石墨烯层是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法制得：
所述高温退火的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛的环境中，通过衬底表面硅原子的升华而实现石墨化进而得到石墨烯层；
所述化学气相沉积的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入化学气相沉积***中，在温度为1300～1800℃条件下同时通入氩气和碳氢化合物，在SiC衬底上生成石墨烯层；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃条件下，同时通入氨气和硼氢化合物，或着单独通入硼氮氢化合物，在SiC衬底上生成所述六方氮化硼层；
将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层转移到铜衬底上的具体步骤如下：首先，在制备完所述石墨烯层或六方氮化硼膜层的S i C衬底上蒸镀至少一层金属镍薄膜；然后，使用粘胶膜紧贴在金属镍薄膜上，并将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层和金属镍薄膜一起机械剥离下来；之后，将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层压合在金属铜衬底上；最后，使用加热方法去掉粘胶膜，并使用化学试剂溶解或腐蚀掉金属镍薄膜。
制备方法三，通过化学气相沉积的方法在其它金属衬底上制备出石墨烯层或六方氮化硼膜层，然后将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层再转移到铜衬底上；
所述石墨烯层是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将其它金属衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1200℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在金属衬底上生成石墨烯层；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将其它金属衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1200℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在金属衬底上生成所述六方氮化硼层；
将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层转移到铜衬底上的具体步骤如下：使用聚合物作为支撑层，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，覆盖在制备完石墨烯层或六方氮化硼层的其它金属衬底上；然后再使用过硫酸铵溶液等化学试剂溶解或腐蚀掉其它金属衬底，附着在聚合物上的石墨烯层或六方氮化硼层转移到铜衬底上；最后再使用丙酮等化学溶剂去掉聚合物的支撑层。
所述其它金属衬底的材质为Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh或Pd中的任意一种或两种以上的混合。
2)在所述具有二维衍生膜层的铜衬底上生长氮化物外延层，依次生长顺序为：缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层；
所述氮化物外延层的制备方法包括脉冲溅射沉积、射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、远程等离子体增强化学气相沉积中的至少一种，且生长温度范围为20～1050℃。
以下通过几个具体的实施例以对本发明进行具体的说明。
实施例1
如图1所示，在2英寸、80μm厚的铜衬底晶圆100的上方，使用单层石墨烯201作为二维衍生膜，在二维衍生膜上的是氮化物蓝光LED外延层。其中，缓冲层301由200nm的n型Al0.1Ga0.9N层构成；n型电子注入层302的结构参数如下：2μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层303的结构参数如下：In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层304的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法如下：
首先在铜衬底上制作单层石墨烯201，步骤如下：先将清洗干净的2英寸晶圆大小的铜衬底100放入压强为300mTorr的CVD***中，并加热到1000℃，并同时2sccm的氢气和40sccm的甲烷；上述加热过程持续15min后开始降温，降温的速率约为100℃/min，并且保持氢气和甲烷的流量不变。当CVD***的温度降低至室温时，即可在铜衬底上形成单层石墨烯201。
进一步地，使用PSD***在此单层石墨烯衍生膜201上生长氮化物蓝光LED外延层。PSD***的压强设定值为<10-6mTorr,铜衬底的加热温度为：500-600℃。具体步骤如下：首先生长200nm的n型Al0.1Ga0.9N，作为层缓冲层301，其中，Si掺杂浓度为1.0×1019；然后生长2μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。如此便完成基于金属衬底的氮化物LED外延片的制作。
实施例2
如图3所示，在4英寸、200μm厚的铜衬底晶圆100的上方，使用多层六方氮化硼(h-BN)202作为二维衍生膜，在二维衍生膜上的是氮化物蓝光LED外延层。其中，缓冲层301由150nm的n型Al0.3Ga0.7N层构成；n型电子注入层302的结构参数如下：2.5μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.5×1019；有源层303的结构参数如下：In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层304的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法如下：
首先在铜衬底上制作多层h-BN 202，步骤如下：先将清洗干净的4英寸的铜衬底晶圆100放入压强为400mTorr的CVD***中，并将反应室的温度加热到1100℃，同时通入300sccm的氨气和40sccm的硼烷，持续15min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，并通入5sccm的氢气，让铜衬底晶圆100退火5min。如此便实现了在铜衬底100上制作了多层h-BN衍生膜202。
进一步地，使用RPCVD***在此多层h-BN二维衍生膜202上生长氮化物蓝光LED外延层。RPCVD***的压强为:10-500mTorr,铜衬底的加热温度为：150-850℃。具体步骤如下：首先生长150nm的n型Al0.3Ga0.7N，作为层缓冲层301，其中，Si掺杂浓度为1.0×1019；然后生长2.5μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.5×1019；再生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。如此便完成基于金属衬底的氮化物LED外延片的制作。
实施例3
如图4所示，在4英寸、200μm厚的铜衬底晶圆100的上方，使用多层石墨烯201与多层h-BN作为二维衍生膜，在二维衍生膜上的是氮化物蓝光LED外延层。其中，缓冲层301由200nm的非掺杂Al0.1Ga0.9N层构成；n型电子注入层302的结构参数如下：2μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层303的结构参数如下：In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层304的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法如下：
首先在铜衬底上制作多层石墨烯201，多层石墨烯201的制备分为两步：
第一步，在SiC衬底上制备多层石墨烯201。具体步骤如下：首先，选择晶面方向为(0001)且表面进行过机械化学抛光的4英寸4H-SiC衬底备用。然后，将上述4H-SiC衬底置入压强为750Torr的化学气相沉积(CVD)***中，通入5sccm的氢气，并将反应室的温度加热到1600℃，持续时间为15min。之后，将反应腔的压强降低至300Torr，将温度提高至1700℃，并通入20sccm的氩气，持续5min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，仅通入5sccm的氢气，让4H-SiC衬底退火3min。这样，便实现了在4H-SiC衬底的(0001)面上制作了具有准自支撑特征的多层石墨烯二维衍生膜201。
第二步，将多层石墨烯201转移到铜衬底100上。具体步骤如下：首先，在生长完多层石墨烯二维衍生膜201的4H-Si C衬底上蒸镀至少一层金属镍薄膜；然后，使用粘胶膜紧贴在金属镍薄膜上，并将二维衍生膜和金属镍薄膜一起机械剥离下来；之后，将二维衍生膜压合在金属铜衬底上；最后，使用加热方法去掉粘胶膜，并使用稀盐酸溶解或腐蚀掉金属镍薄膜。
进一步地，在多层石墨烯201上生长多层h-BN 202。首先，将第一步所述已制备完多层石墨烯衍生膜201的铜衬底100置入压强为400mTorr的CVD***中，并将反应室的温度加热到1100℃，同时通入300sccm的氨气和40sccm的硼烷，持续15min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，并通入5sccm的氢气，让铜衬底100退火5min。如此便实现了在多层石墨烯衍生膜201上制作了多层h-BN 202。
之后，使用MBE***在多层h-BN 202上生长氮化物蓝光LED外延层。MBE***的压强设定值为<10-6mTorr,铜衬底的加热温度为：400-900℃。具体步骤如下：首先生长200nm的非掺杂Al0.1Ga0.9N，作为层缓冲层301；然后生长2μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。如此便完成基于金属衬底的氮化物LED外延片的制作。
实施例4
如图5所示，在2英寸、80μm厚的铜衬底晶圆100的上方，使用多层h-BN202和多层石墨烯201作为二维衍生膜，在二维衍生膜上的是氮化物蓝光LED外延层。其中，缓冲层301由200nm的n型Al0.1Ga0.9N层构成；n型电子注入层302的结构参数如下：2μm厚的n型GaN层，掺杂元素为Si，且掺杂浓度为1.0×1019；有源层303的结构参数如下：In0.15Ga0.85N/GaN多量子阱发光层，In0.15Ga0.85N和GaN的单层厚度分别为3nm和10nm，多量子阱的周期数为5；p型空穴注入层304的结构参数如下：包括两个子层，一个是0.2μm厚的p型GaN层，p型掺杂元素为Mg，且掺杂浓度为1.0×1020；另一个是10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。
基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法如下：
首先在铜衬底上制作多层h-BN 202，步骤如下：先将清洗干净的2英寸的铜衬底晶圆100放入压强为400mTorr的CVD***中，并将反应室的温度加热到1100℃，同时通入300sccm的氨气和40sccm的硼烷，持续15min。最后，将反应室的压强升高至750Torr，而温度降低至700℃，并通入5sccm的氢气，让铜衬底晶圆100退火5min。如此便实现了在铜衬底100上制作了多层h-BN衍生膜202。
然后，在多层h-BN 202上多层石墨烯201生长。多层石墨烯201的制备分为两步：
第一步，在金属镍衬底上制备多层石墨烯201。具体步骤如下：首先将2英寸晶圆大小的镍薄片衬底放入压强为300mTorr的CVD***中，并加热到1000℃，并同时2sccm的氢气和30sccm的甲烷；上述加热过程持续25min后开始降温，降温的速率约为100℃/min，并且保持氢气和甲烷的流量不变。当CVD***的温度降低至室温时，即可在镍衬底上形成多层石墨烯201。
第二步，将多层石墨烯201转移到铜衬底100上。将生长完多层石墨烯201的镍衬底从CVD***中取出后旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。紧接着，将旋涂完PMMA的镍衬底放入FeCl3溶液中，镍衬底将发生溶解，而石墨烯层201附着在PMMA支撑层上。此后，再把多层石墨烯衍生膜201转移到已生长完多层h-BN二维衍生膜202的2英寸铜衬底上，并用丙酮去除PMMA支撑层。这样，多层石墨烯201被转移到了多层h-BN衍生膜202上。最后，将覆盖有多层h-BN衍生膜202和多层石墨烯201的铜衬底置入300℃的退火炉中，在氮气气氛中加热2min，并进行快速退火处理。
进一步地，使用PSD***在此单层石墨烯衍生膜201上生长氮化物蓝光LED外延层。PSD***的压强设定值为<10-6mTorr,铜衬底的加热温度为：500-600℃。具体步骤如下：首先生长200nm的n型Al0.1Ga0.9N，作为层缓冲层301，其中，Si掺杂浓度为1.0×1019；然后生长2μm厚的n型GaN层，Si掺杂浓度为1.0×1019；再生长In0.15Ga0.85N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱发光层，多量子阱的周期数为5；接着生长0.2μm厚的p型GaN层，Mg掺杂浓度为1.0×1020；最后生长10nm厚的p型重掺杂p++-GaN层，且Mg掺杂浓度为5.0×1020。如此完成了铜衬上氮化物LED外延片的制作。
为避免对众多结构参数、工艺条件作冗余描述，本实施例仅对其中个别变化因素进行了举例。通过对其它结构或工艺变化因素的调整亦能达到类似的效果，在此不作一一列举。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：包括铜衬底、二维衍生膜及氮化物外延层，所述二维衍生膜位于所述铜衬底及所述氮化物外延层之间，且所述二维衍生膜附着在所述铜衬底的表面上，所述氮化物外延层附着在所述二维衍生膜上；其中，
所述铜衬底为仅由金属铜材质组成的自支撑薄片，或者为其它材质衬底上附着一层或两层以上的金属薄膜组成的复合衬底；
所述二维衍生膜由一层或两层以上的二维纳米片材料构成，且所述二维纳米片材料包括石墨烯、六方氮化硼中的任意一种或两种的组合。
2.根据权利要求1所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：所述其它材质包括硅、蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氮化硼、锗、二氧化硅、砷化镓、磷化铟、氧化锌、氧化镓、尖晶石、铝酸锂、铝镁酸钪、镓酸锂、铝镁酸钪、铌酸锂、硼化锆或硼化铪中的至少一种；
所述金属薄膜由至少一层金属铜薄膜组成；或者所述金属薄膜的材质为Cu、Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh、W、Ti、Sn、Au、Al或Pd中的任意一种或两种以上的混合，且至少有一层金属铜薄膜处于所述复合衬底的最表层。
3.根据权利要求1所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：所述二维衍生膜的原子呈六角蜂窝状排布。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：所述氮化物外延层由从下至上依次叠加的缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层构成，且所述缓冲层附着在所述二维衍生膜上。
5.根据权利要求4所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：所述缓冲层的厚度为0.001～10μm；所述n型电子注入层的厚度为0.1～20μm；所述有源层的厚度为1～2000nm；所述p型空穴注入层的厚度为0.05～5μm。
6.根据权利要求4所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：所述缓冲层包括至少一个缓冲层子层，所述缓冲层子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1，x+y≤1；
每个所述缓冲层子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；
所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；
所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：所述n型电子注入层包括一个以上的n型子层，所述n型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；
每个所述n型子层分别进行n型掺杂，且n型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se和Te中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：所述有源层包括一个以上的薄膜子层，所述薄膜子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；
每个所述薄膜子层分别进行n型掺杂、p型掺杂或非掺杂；
所述n型掺杂中掺杂的元素为Si、Sn、S、Se或Te中的至少一种；
所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
9.根据权利要求4所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构，其特征在于：所述p型空穴注入层包括一个以上的p型子层，所述p型子层由氮化物AlxInyGa1-x-yN中的至少一种构成，其中，0≤x,y≤1；x+y≤1；
每个所述p型子层分别进行p型掺杂，且每个所述p型子层的p型掺杂的掺杂浓度相同或不同，所述p型掺杂中掺杂的元素为Be、Mg、Zn、Cd或C中的至少一种。
10.一种权利要求1至9任一项所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)在铜衬底上制备一层或两层以上的二维衍生膜层，制得具有二维衍生膜层的铜衬底；具体包括三种制备方法：
制备方法一，在铜衬底上直接使用化学气相沉积的方法制备一层或两层以上的石墨烯层或者六方氮化硼层；
制备方法二，通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法在SiC衬底上制备出石墨烯层或六方氮化硼膜层，然后将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层再转移到铜衬底上；
制备方法三，通过化学气相沉积的方法在其它金属衬底上制备出石墨烯层或六方氮化硼膜层，然后将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层再转移到铜衬底上；
2)在所述具有二维衍生膜层的铜衬底上生长氮化物外延层，依次生长顺序为：缓冲层、n型电子注入层、有源层和p型空穴注入层。
11.根据权利要求10所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法，其特征在于：在制备方法一中，所述制备石墨烯层的具体步骤如下：将铜衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1050℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在铜衬底上生成石墨烯层；
所述制备六方氮化硼的具体步骤如下：将铜衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1050℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物，或着单独通入硼氮氢化合物，在铜衬底上生成六方氮化硼层。
12.根据权利要求10所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法，其特征在于：在制备方法二中，所述石墨烯层是通过高温退火的方法或化学气相沉积的方法制得：
所述高温退火的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入温度为1500～2000℃、真空度为≤10-3Pa的环境中，或者温度为1300～1800℃、压强为≥102Pa的氩气气氛的环境中，通过衬底表面硅原子的升华而实现石墨化进而得到石墨烯层；
所述化学气相沉积的方法的具体步骤如下：将SiC衬底置入化学气相沉积***中，在温度为1300～1800℃条件下同时通入氩气和碳氢化合物，在SiC衬底上生成石墨烯层；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：在温度为1200～1800℃条件下，同时通入氨气和硼氢化合物，或着单独通入硼氮氢化合物，在SiC衬底上生成所述六方氮化硼层；
将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层转移到铜衬底上的具体步骤如下：首先，在制备完所述石墨烯层或六方氮化硼膜层的SiC衬底上蒸镀至少一层金属镍薄膜；然后，使用粘胶膜紧贴在金属镍薄膜上，并将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层和金属镍薄膜一起机械剥离下来；之后，将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层压合在金属铜衬底上；最后，使用加热方法去掉粘胶膜，并使用化学试剂溶解或腐蚀掉金属镍薄膜。
13.根据权利要求10所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法，其特征在于：在制备方法三中，所述石墨烯层是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将其它金属衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1200℃的条件下，同时通入氩气和碳氢化合物，在金属衬底上生成石墨烯层；
所述六方氮化硼是通过化学气相沉积的方法制得，具体步骤如下：将其它金属衬底置入化学气相沉积***中，在温度为400～1200℃的条件下，同时通入氨气和硼氢化合物或着单独通入硼氮氢化合物，在金属衬底上生成所述六方氮化硼层；
将所述石墨烯层或六方氮化硼膜层转移到铜衬底上的具体步骤如下：使用聚合物作为支撑层，覆盖在制备完石墨烯层或六方氮化硼层的其它金属衬底上；然后再使用化学试剂溶解或腐蚀掉其它金属衬底，附着在聚合物上的石墨烯层或六方氮化硼层转移到铜衬底上；最后再使用化学溶剂去掉聚合物的支撑层。
14.根据权利要求13所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法，其特征在于：所述其它金属衬底的材质为Ni、Pt、Fe、Co、Ag、Ir、Rh或Pd中的任意一种或两种以上的混合。
15.根据权利要求10至14任一项所述的基于铜衬底的氮化物LED外延片结构的制备方法，其特征在于：所述氮化物外延层的制备方法包括脉冲溅射沉积、射频磁控溅射、分子束外延、脉冲激光沉积、远程等离子体增强化学气相沉积中的至少一种，且生长温度范围为20～1050℃。
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