[发明专利]采用2D材料磊晶去疵单晶基板及其制备方法和制作组件

说明书

本发明公开了采用2D材料磊晶去疵单晶基板，在低成本GaN单晶基板或其他低成本的GaN准同质材料单晶基板上采用阻隔效果的2D材料范德华外延生长2D材料超薄层作为中介层，在2D材料超薄层上范德华外延生长高质量GaN或GaN基外延层，2D材料超薄层由单一材料构成或者一种以上材料迭层形成，准同质材料单晶基板外延的条件范围为：晶格常数不匹配度不大于5％以及热膨胀系数差异不大于1.5×10^‑6℃^‑1。本发明还公开了制备方法以及其制作组件。本发明可获得高质量GaN单晶基板，将外延及组件工序简化，使得采用的基板材料选择可能性更为宽广，制造成本大大降低，有利于市场推广应用。

技术领域

本发明涉及LED的技术领域，特别涉及采用2D材料超薄中间层 同质或准同质磊晶去疵单晶基板，以及制备方法，和其制作组件。

背景技术

在发光二极管或雷射二极管(LD,laser diode)的组件制造过程 中，磊晶对产品的质量有重要的影响。其中对质量的影响甚至包含发 光效率、耐久度等。原因在于发光二极管尤其要求构成晶体激发时电 子与电洞彼此配合才可以顺利产生光子。相对地，如果在材料结构或 组织上产生缺陷，电子与电洞的相互结合过程中被缺陷阻碍的可能性 就会增加，导致发光效果的劣化。发光二极管主要的发光材料选用氮 化镓(GaN)，通常是以外延的方法生长在基板上，而所生产出的氮化 镓结晶结构和组织则很大部分受所采用的基板影响。为了增进上述发 光二极管的发光效率、耐久度以及其他关于发光二极管质量相关的特性，此技术领域通常在选择合适基板材料时考虑几种条件。通常，基 板的材料希望是能尽量减少缺陷密度的单晶材料，在晶体结构、晶格 常数(lattice constant)、热膨胀系数(CTE,coefficient of thermal expansion)与外延材料匹配才能尽可能避免在外延过程中影响发光 二极管的晶体质量。

依照目前技术，最常采用的基板材料是单晶的蓝宝石 (Sapphire)，主要是考虑其化学稳定性好、制造技术成熟等优点；并 且由于近年产能增加，蓝宝石基板相对其他替代品，如：氮化铝(AlN)， 甚至氮化镓(GaN)基板等，更符合经济要求。但由于蓝宝石在晶体结构、晶格常数(lattice constant)、热膨胀系数(CTE,coefficient of thermalexpansion)与外延材料匹配上不尽理想，导致GaN或AlGaN 外延层缺陷密度偏高影响了雷射二极管(LD,laser diode)方面的应 用以及紫外光发光二极管(UV LED)的性能提升；其中属于深紫外光范 围的UVC LED发光波长最具有消毒杀菌的效能，除将有效取代现行低效耗能并有害环境的汞灯之外，更将在民生及日常消毒杀菌应用中有 极大发展潜能，但目前最适于UV LED的氮化铝基板量产技术存在瓶 颈，UVC LED开发主要仍着力于匹配度不佳的蓝宝石基板，导致性能 提升存在极大障碍。

氮化铝和氮化镓的熔点均在摄氏两千五百度以上且存在蒸气压 高问题，换言之，若想要直接以熔融长晶的方法制作前述两种材料的 单晶基板，则不只制造成本更高，也相对会产生更多废热，对环境造 成不可避免的污染。气相法长晶部分，目前氮化镓长晶采用的是氢化 物气相外延法(Hydride Vapor Phase Epitaxy,HVPE)来生产单晶氮 化镓基板，由于生产成本及产率条件等限制，目前量产技术达到4英 寸基板同时成本极高。事实上，上述气相法缺陷密度仍然偏高于其他 液相长晶工序，但受限于其余工序长晶速率过于缓慢，量产成本更为 高昂，在市场需求、组件性能以及基板成本与供应量折衷考虑之下， 商转主流仍限于HVPE法。文献指出气相法GaN长晶速率仍有提高数 倍的可能并维持良好结晶性，但受限于缺陷密度劣化，目前并未能作 为降低GaN基板成本的取向。至于氮化铝长晶技术，采用的是气相法 之一的物理气相传输法(Physical Vapor Transport,PVT)来生产单 晶氮化铝基板，由于生产技术及良率限制，全球仅两家厂家有量产能 力，目前量产技术仅达到2英寸基板同时成本极高，而产能全由少数 厂商占有无法广泛供应市场。由于氮化铝本身化学特性以及物理气相 传输法硬件零组件限制，单晶成品中一定程度的碳(C)与氧(O)杂质存 在为不可避免，也一定程度影响组件特性。