[发明专利]具有石墨烯结构的半导体器件及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有石墨烯结构的半导体器件及其制备方法，所述半导体器件包括依次沉积在衬底上的缓冲层、N型GaN层、有源层、P型GaN层，其中，所述有源层包括周期层叠的量子阱层和量子垒层，所述N型GaN层或/和所述有源层中还包括一石墨烯层，位于所述石墨烯层两侧的氮化铝层。本发明通过在石墨烯层两侧沉积氮化铝层，可以有效的阻止石墨烯引起的碳玷污，降低位错、缺陷密度，提高氮化镓结晶质量。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种具有石墨烯结构的半导体器件及其制备方法。

背景技术

氮化镓是一种直接带隙宽禁带半导体材料，禁带宽度为3.4eV。氮化镓材料化学性质稳定，在室温下不溶于水、酸、碱，质地硬、熔点高。氮化镓基材料制作的蓝光、绿光以及激光二极管(Laser Diode,LD)早已实现了产业化生产，以其体积小、寿命长、亮度高、能耗低等优点，有望取代传统白炽灯、日光灯等成为主要照明光源。

氮化镓基材料制作的蓝光、绿光以及激光二极管发光效率由内量子效率和光提取效率两方面决定，在制程工艺中，外延工艺对内量子效率起决定性影响，芯片制备工艺对内量子效率和光提取效率均能产生影响，封装工艺主要影响光提取效率。外延工艺主要通过在蓝宝石衬底上依次沉积缓冲层、N型GaN层、有源层、P型GaN层等最终得到外延结构。其中，有源层包括交替沉积的InGaN阱层和GaN垒层。N型GaN层产生的电子和P型GaN层产生的空穴在有源层中复合发光，电子和空穴在有源层中的复合效率决定了内量子效率，进而影响到氮化镓基材料的发光效率。

石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm²/(V^-s)，这一数值超过了硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟(InSb)的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm²/(V^-s)。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50～500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm²/(V^-s)左右。

将石墨烯引入氮化镓基材料中可以提高内量子效率，如申请号为CN201611033181.3公开了一种具有石墨烯层的氮化镓基光电器件外延结构及其制备方法，通过将石墨烯层置于非故意掺杂氮化镓层和N型氮化镓层之间或是N型氮化镓层之中，助于电子在N型氮化镓中的横向传导，改善传统氮化镓基二极管在N型氮化镓层的电流阻堵塞(current blocking)问题，提高内量子效率；申请号为CN201710388641.2公开了一种发光二极管的外延片及其制备方法，通过将石墨烯薄膜层设置在相邻的量子阱和量子垒之间，可以利用石墨烯薄膜层防止量子阱中的铟原子扩散到量子垒中，提高量子阱中铟的有效掺杂，避免铟由于量子阱的生长温度较高而析出，从而可以采用较高的温度生长量子阱，提高量子阱的生长质量，改善界面极化，提高发光二极管的发光效率。而且石墨烯的电导率好，有利于电子和空穴的横向扩展，避免界面极化，有利于电子和空穴的复合，进一步提高发光二极管的发光效率。

通过MOCVD制备氮化镓基材料，一般使用MO源(金属有机化合物)与氨气在反应腔体中进行反应来沉积氮化镓，引入石墨烯结构，由于石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，只有一个原子层厚度的准二维材料，在形成氮化镓时，容易引起严重的碳玷污，引起位错、缺陷密度的增加，降低氮化镓结晶质量，导致电性参数变差(漏电，反向电压等)特别是在有源层中引入石墨烯结构，如果不处理好碳玷污问题，甚至会引起发光效率的降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有石墨烯结构的半导体器件及其制备方法，能够有效的降低引入石墨烯结构所引起的碳玷污等问题。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种具有石墨烯结构的半导体器件，包括：

衬底；