[发明专利]生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱及其制备方法

说明书

本发明公开了生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱及其制备方法，该InGaN/GaN多量子阱纳米柱包括Si/石墨烯复合衬底、生长在Si/石墨烯复合衬底上的n型掺杂GaN纳米柱，生长在n型掺杂GaN纳米柱顶部上的InGaN/GaN多量子阱，生长在InGaN/GaN多量子阱顶部的p型掺杂GaN纳米柱。本发明的制备方法具有生长工艺简单，制备成本低廉的优点，且制备的InGaN/GaN多量子阱纳米柱缺陷密度低、结晶质量好，电学、光学性能好。

技术领域

本发明涉及InGaN/GaN多量子阱纳米柱领域，特别涉及生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱及其制备方法。

背景技术

发光二极管(LED)作为一种新型固体照明光源和绿色光源，具有体积小、耗电量低、环保、使用寿命长、高亮度、低热量以及多彩等突出特点，在室外照明、商业照明以及装饰工程等领域都具有广泛的应用。当前，在全球气候变暖问题日趋严峻的背景下，节约能源、减少温室气体排放成为全球共同面对的重要问题。以低能耗、低污染、低排放为基础的低碳经济，将成为经济发展的重要方向。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。但是现阶段LED的应用成本较高，发光效率较低，这些因素都会大大限制LED向高效节能环保的方向发展。

III族氮化物GaN在电学、光学以及声学上具有极其优异的性质，近几年受到广泛关注。GaN是直接带隙材料，且声波传输速度快，化学和热稳定性好，热导率高，热膨胀系数低，击穿介电强度高，是制造高效LED器件的理想材料。GaN材料除具有上述优点外，其纳米级的材料在量子效应、界面效应、体积效应、尺寸效应等方面还表现出更多新颖的特性，使得它在基本物理科学和新型技术应用方面有着巨大的前景，已成为当前研究的热点。而GaN纳米柱结构更是在制备纳米范围发光器件LED上表现出了更加优异的性能。

目前大多数GaN基LED都是基于蓝宝石或SiC衬底上进行外延生长，但蓝宝石的绝缘性及高硬度使器件制作更加复杂，而SiC价格很高，这都使器件的生产成本上升。与蓝宝石和SiC相比较，硅(Si)材料更易获得，生产成本低，可实现大尺寸；另外，Si具有良好的导电和导热性能，方便于制成散热良好的垂直结构器件；同时，Si衬底土生长GaN材料有望实现光电子和微电子的集成；最后，我国具有单晶Si的原创技术产权，因此Si衬底LED对促进我国拥有知识产权的半导体LED照明产业的发展具有重大意义。然而，Si衬底与GaN之间存在较大的晶格失配(-16.9％)和热失配(54％)，限制了Si衬底LED的发展。因此迫切寻找一种合适的方法来降低在Si衬底上生长GaN材料的缺陷密度和残余应变。

理论分析表明，相比于传统薄膜结构的LED，纳米柱结构LED表现出了更加优异的性能：如异质外延的氮化物纳米柱晶体质量优于异质外延氮化物薄膜晶体质量；纳米柱可以避免裂纹的产生；III族氮化物纳米柱基LED有效地扩大了LED发光面积、能够大幅度提高LED出光效率；纳米柱基LED可消除薄膜LED的量子限制斯塔克效应带来的负面影响等。制备高质量的InGaN/GaN多量子阱纳米柱是高效高质量GaN基半导体器件的基础，尤其是高性能LED。因此，在成本低、散热好的Si衬底上制备高质量InGaN/GaN多量子阱纳米柱具有重要的科学和应用意义。

与此同时，石墨烯具有非常好的热传导性能，纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK，是目前为止导热系数最高的碳材料。此外，石墨烯具有优异的光学、电学、力学等特性，因此，在Si衬底上复合石墨烯作为生长衬底，进行InGaN/GaN多量子阱纳米柱的生长，有助于进一步扩展氮化物纳米柱的应用前景。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供生长在硅/石墨烯复合衬底上的InGaN/GaN多量子阱纳米柱及其制备方法，在成本低、导电导热性好能的Si衬底上覆盖石墨烯形成Si/石墨烯复合衬底，进行生长InGaN/GaN多量子阱纳米柱，有利于降低生产成本、方便制成垂直结构器件。