[实用新型]具有2D材料中介层的外延基板

说明书

本实用新型公开了具有2D材料中介层的外延基板，在多晶基板表面，借助范德华外延生长2D材料超薄中介层，2D材料超薄中介层的表层晶格常数及基底热膨胀系数与AlGaN或GaN高度匹配，2D材料超薄中介层为单层结构或者复合层结构，2D材料超薄中介层上借助范德华外延生长AlGaN或单晶GaN外延层。本实用新型提供可行技术满足在多晶基底上进行单晶层外延，可以制作大尺寸(6吋及6吋以上)基底且制作成本远低于相关单晶芯片，同时解决现有UVC LED和GaN系镭射二极管外延基板问题并能显着降低工序成本，有效提升AlGaN宽能隙光电及电子组件以及GaN系镭射二极管的组件效能。

技术领域

本实用新型涉及具有2D材料中介层的外延基板，适用于AlGaN宽能隙组件以及GaN系镭射二极管。

背景技术

在发光二极管或镭射二极管(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镭射二极管(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，更将于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。

表1