基于复合薄膜的紫外LED制备方法、复合薄膜及紫外LED

本申请涉及半导体，更具体地涉及一种基于复合薄膜的紫外led制备方法、复合薄膜及紫外led。

背景技术：

1、紫外led（ultraviolet light emitting diode）作为一种新型固态紫外光源，具有能耗低、使用寿命长、体积微型化、无汞污染、响应速度快、可控性强等突出优势，正在逐步替代传统高压汞灯等紫外光源，契合绿色光电产业的发展趋势。

2、垂直结构紫外led成为大功率器件的主流发展方向。垂直结构是指将正负电极分别设置在器件外延层的相对两侧，电流沿纵向（垂直方向）穿过有源层，具有电流分布均匀、散热路径短、耐压性强等突出优势。然而，垂直结构紫外led的制备面临一个关键工艺难题——半导体生长衬底的去除。现有衬底剥离技术主要有两种：

3、其一为激光剥离技术，通过高能激光照射衬底界面实现剥离，但激光设备昂贵、工艺成本高，且高能激光极易损伤多量子阱有源层，造成器件漏电大、良率低。

4、其二为材料外延剥离技术，该方法避免了激光损伤，但单一二维缓冲层的外延晶体质量差、位错密度高，导致器件光电性能显著下降。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本申请提供了一种基于复合薄膜的紫外led制备方法、复合薄膜及紫外led

2、本申请的第一方面提供了一种基于复合薄膜的紫外led制备方法，包括：

3、提供半导体衬底；

4、在所述半导体衬底上依次形成二维材料层和三维纳米图形层，得到复合结构；

5、对所述复合结构进行等离子体界面改性处理，获得复合薄膜；

6、在所述复合薄膜表面外延生长紫外led外延层，所述外延层至少包括第一导电类型层、有源层和第二导电类型层；

7、在所述外延层的第一侧形成第一电极；

8、去除至少部分所述半导体衬底，以暴露所述外延层的第二侧的至少一部分；

9、在所述外延层的第二侧形成第二电极。

10、根据本申请实施例，所述二维材料层为层间以范德华力结合的层状材料；所述三维纳米图形层用作图形化掩膜层，以引导所述紫外led外延层的横向外延生长。

11、根据本申请实施例，所述对所述复合结构进行等离子体界面改性处理包括：

12、在所述二维材料层生长完成后，进行第一次等离子体处理；

13、在所述三维纳米图形层制备完成后，进行第二次等离子体处理；

14、其中，所述第一次等离子体处理和第二次等离子体处理均在氧气或者氮气气氛进行。

15、根据本申请实施例，所述去除至少部分所述半导体衬底包括：

16、利用所述二维材料层的层间范德华力，采用化学浸润方式浸润所述半导体衬底与所述二维材料层之间的界面，去除所述半导体衬底。

17、根据本申请实施例，所述二维材料层为石墨烯或六方氮化硼。

18、根据本申请实施例，所述三维纳米图形层为氧化硅纳米球阵列或碳纳米管阵列。

19、当所述三维纳米图形层为氧化硅纳米球阵列时，采用气液界面自组装法将氧化硅纳米球排列为密排单层并转移至所述二维材料层表面，经电感耦合等离子体刻蚀，获得氧化硅纳米球阵列；

20、当所述三维纳米图形层为碳纳米管阵列时，将碳纳米管阵列转移至所述二维材料层表面，经乙醇浸润干燥使相邻碳纳米管收缩聚集形成碳纳米束，获得碳纳米管阵列。

21、根据本申请实施例，所述紫外led为365 nm近紫外led。

22、根据本申请实施例，所述第一导电类型层为n型层，所述第二导电类型层为p型层，所述外延层自下而上依次包括u-gan层、n-gan层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p-algan层和p⁺-gan层。

23、本申请的第二方面提供了一种复合薄膜，包括：

24、二维材料层；以及

25、位于所述二维材料层上的三维纳米图形层；

26、所述二维材料层与所述三维纳米图形层之间形成经等离子体界面改性处理的结合界面。

27、本申请的第三方面提供了一种垂直结构的紫外led，包括：

28、复合薄膜层，所述复合薄膜层包括二维材料层和位于所述二维材料层上的三维纳米图形层，且所述二维材料层与所述三维纳米图形层之间的界面经等离子体界面改性处理；

29、位于所述复合薄膜层上的紫外led外延层，所述外延层包括第一导电类型层、有源层和第二导电类型层；

30、与所述外延层的第一侧电连接的第一电极；以及

31、与所述外延层的第二侧电连接的第二电极，所述第二电极与所述第一电极分别位于所述外延层的相对两侧。

32、与现有技术相比，本申请具有以下有益效果至少之一：

33、1、本申请实施例通过构建“二维材料层+三维纳米图形层”的复合薄膜结构，其中二维材料层利用层间弱范德华力提供天然解离界面，使得半导体衬底可在温和条件下通过化学浸润或机械方式实现无损剥离，无需采用高能激光照射，彻底避免了激光剥离工艺中有源层易受热损伤、设备成本高、良率低的问题；同时三维纳米图形层作为图形化掩膜模板，能够引导外延层发生横向外延生长，有效降低因晶格失配和热失配所产生的位错密度和残余应力，大幅提升外延层晶体质量。上述两个特征协同作用，解决了现有技术中单一方案无法兼顾剥离无损性与外延高质量的技术矛盾。

34、2、本申请实施例在二维材料层与三维纳米图形层形成之后，进一步进行等离子体界面改性处理，通过等离子体对复合结构表面进行轰击和活化，清除界面杂质、引入活性官能团、钝化界面缺陷，显著提升两层之间的界面结合力。一方面避免了后续外延生长和衬底剥离过程中发生分层或剥离失败，另一方面为高质量外延生长提供了界面态密度低、表面能状态优化的缓冲基底，保证了复合薄膜的结构稳定性和工艺可重复性。

35、3、本申请实施例实现第一电极和第二电极分别位于外延层相对两侧的垂直结构，电流沿纵向穿过有源层，与现有横向结构相比，具有电流分布均匀、散热路径短、电流拥挤效应低等优势，能够有效提升365 nm紫外led的发光效率、发光均匀性、光电转换效率及长期工作可靠性。

1.一种基于复合薄膜的紫外led制备方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维材料层为层间以范德华力结合的层状材料；所述三维纳米图形层用作图形化掩膜层，以引导所述紫外led外延层的横向外延生长。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对所述复合结构进行等离子体界面改性处理包括：

4.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述去除至少部分所述半导体衬底包括：

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维材料层为石墨烯或六方氮化硼。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述三维纳米图形层为氧化硅纳米球阵列或碳纳米管阵列。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述紫外led为365 nm近紫外led。

8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一导电类型层为n型层，所述第二导电类型层为p型层，所述外延层自下而上依次包括u-gan层、n-gan层、多量子阱有源层、电子阻挡层、p-algan层和p⁺-gan层。

9.一种复合薄膜，其特征在于，包括：

10.一种垂直结构的紫外led，其特征在于，包括：