[发明专利]一种深紫外LED的异质外延衬底及其制备方法和应用

说明书

本发明属于半导体器件领域，具体涉及一种深紫外LED的异质外延衬底及其制备方法和应用，其中异质外延衬底为由纳米片和蓝宝石衬底构成的复合衬底；纳米片均匀地物理覆盖于蓝宝石衬底表面，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。该复合衬底可通过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得，并应用于深紫外LED上。本发明采用纳米片和蓝宝石衬底复合构成衬底，由于外延材料不能在纳米片上成核，因此可延缓外延材料愈合过程，在愈合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。

技术领域

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。

发明内容

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。