一种石墨烯结构的led芯片结构及其制备方法
【专利摘要】一种石墨烯结构的LED芯片结构及其制备方法，在衬底上外延成核层、非掺杂GaN层、N型掺杂GaN层、InGaN/GaN多量子阱结构；外延生长多量子阱结构后，终止生长，采用P型掺杂石墨烯层代替传统的P型GaN外延层；在P型掺杂石墨烯层上制备P电极，刻蚀至N型掺杂GaN层，在其上制备N电极；所述P电极对应设置在P型掺杂石墨烯层上；对所述外延片进行刻蚀，在N型掺杂GaN层上制作N电极。本发明可以避免InGaN/GaN多量子阱结构后升温生长P-GaN所带来的In组分布不均匀，有利于提高波长均匀性；避免P-GaN外延生长，降低成本，提高产能；采用高透光、高电导率的石墨烯超薄层作为P型电流扩展层，可以有效的提高光出射效率，提高外量子效率。
【专利说明】一种石墨烯结构的LED芯片结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石墨烯结构的LED芯片结构及其制备方法，属半导体外延和芯片【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出。LED具有高光效、低电耗、长寿命、高安全性、高环保等优势，是一种理想的照明方式，越来越多国家的重视。
[0003]白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50?70流明/瓦，钠灯90?140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50?200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光LED单管功率0.03?0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5?3.5伏，电流15?18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时，可以大大降低灯具的维护费用。发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全触摸，能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。同时，LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。
[0004]开展LED相关研究、发展照明产业对国家能源的可持续发展具有非常重要的意义。目前，LED照明面临的主要问题为电光转换效率不够高，还有较大提升空间，可靠性较差的问题，尚不能满足大规模民用的需求。P-GaN层起形成PN结和电流扩展的作用，优化P-GaN层结构与工艺是提高LED发光效率和均匀性的重要技术方向之一。目前，大多采用交叉电极等方法减小电流横向电阻，导致电流扩展困难所导致的横向发光效率不均匀。但是，不透明的金属电极会反射和吸收出射光线，从而降低LED有效出光面积，进而降低亮度。为了减少电极对出射光的吸收和反射，萃取更多的光能，透明电极的相关研究成为LED芯片【技术领域】热点之一。
[0005]石墨烯是目前已知最薄(单原子层厚度约0.34nm)、却最坚硬的纳米材料(杨氏模量lTPa，固有强度130GPa))几乎是完全透明的，只吸收2.3 %的光，导热系数高达5300ff/m..K，室温电子迁移率大于15000cm2/V.s，均高于碳纳米管和金刚石，电阻率仅为10_6Ω.αιι，为目前世上电阻率最小的材料。同时，石墨烯拥有极高的气密性，任何气体完全不能透过。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，远高于硅和铜等传统的半导体和导体。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。同时，它的高透光性和良好的导电性也更加适合作为透明导电层。
【发明内容】
[0006]本发明利用石墨稀材料的闻电导率和闻透光性，可以有效的缓解目如LED芯片存在的金属电极遮挡面积占芯片有效出光面积较大，P-GaN横向扩展困难等问题。
[0007]本发明具体方案如下，
[0008]一种石墨烯结构的LED，包括有衬底1、成核层2、非掺杂GaN层3、N型掺杂GaN层
4、InGaN/GaN多量子阱结构5、P型掺杂石墨烯层6、P电极7、N电极8 ;其中，所述衬底1、成核层2、非掺杂GaN层3、N型掺杂GaN层4、InGaN/GaN多量子阱结构5、P型掺杂石墨烯层6、P电极7从下至上依次层叠设置；所述P电极7对应设置在P型掺杂石墨烯层6上；对所述外延片进行刻蚀，在N型掺杂GaN层4上制作N电极8。
[0009]外延生长多量子阱结构后，终止生长，采用P型石墨烯代替传统的P型GaN外延层。
[0010]所述衬底I可为蓝宝石、Si和SiC等。
[0011]所述成核层2可为低温GaN层、高温GaN、高温AlN层及其组成的多晶格结构层。
[0012]所述P 电池 7 和 N 电极 8 的金属为 Ti/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Au、N1、Ni/Au、Cr/Au、Pd、Ti/Pd/Au、Pd/Au 中的一种。
[0013]所述外延片可为多种材料体系,如GaAs、GaN、ZnO等。
[0014]InGaN/GaN多量子阱结构为5-20个周期，根据需要可以调整不同的生长温度以及掺杂浓度。
[0015]一种石墨烯结构的LED的制备方法如下，
[0016]I使用MOCVD或MBE生长LED外延片，在外延InGaN/GaN多量子阱层后终止生长；
[0017]2对所述外延片进行表面酸洗；
[0018]3对所述外延片依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的InGaN/GaN多量子阱台面刻蚀图形，并去除图形上方的残胶；
[0019]4)采用ICP对所示外延片的InGaN/GaN多量子阱进行刻蚀，至N-GaN层终止；
[0020]5)对外延片进行依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成P型石墨烯生长台面图形，并去P型石墨烯生长图形上方的残胶；
[0021]6)将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的多层石墨烯材料置于光刻胶构成的P型石墨烯生长图形上，剥离形成P-石墨烯层；
[0022]7)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的P电极台面图形，并去除图形上方的残胶；
[0023]8)在P-石墨烯上制备P电极并退火；
[0024]9)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的N电极台面图形，并去除图形上方的残胶；
[0025]10)在N-GaN上制备N电极并退火。
[0026]制备上述LED芯片的工艺为:
[0027]I)使用MOCVD或MBE生长LED外延片，在外延InGaN/GaN多量子阱层后终止生长；
[0028]2)对所述外延片进行表面酸洗；
[0029]3)对所述外延片依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的InGaN/GaN多量子阱台面刻蚀图形，并去除图形上方的残胶；
[0030]4)采用ICP对所示外延片的InGaN/GaN多量子阱进行刻蚀，至N-GaN层终止；
[0031]5)对外延片进行依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成P型石墨烯生长台面图形，并去P型石墨烯生长图形上方的残胶；
[0032]6)将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的多层石墨烯材料置于光刻胶构成的P型石墨烯生长图形上，剥离形成P-石墨烯层；
[0033]7)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的P电极台面图形，并去除图形上方的残胶；
[0034]8)在P-石墨烯上制备P电极并退火；
[0035]9)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的N电极台面图形，并去除图形上方的残胶；
[0036]10)在N-GaN上制备N电极并退火。
[0037]本发明的有益效果如下:
[0038]采用P型石墨烯代替与现有P-GaN层，可以避免InGaN/GaN多量子阱结构后升温生长P-GaN所带来的In组分布不均匀，有利于提高波长均匀性；避免P-GaN外延生长，降低成本，提高产能；采用高透光、高电导率的石墨烯超薄层作为P型电流扩展层，可以有效的提高光出射效率，提高外量子效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1是本发明的一个优选LED芯片结构示意图。
[0040]图中:1、衬底；2、成核层；3、U-GaN层;4、N-GaN 层;5、InGaN/GaN 多量子阱层；6、P-石墨烯；7、P电极；8、N电极。
【具体实施方式】
[0041]下面结合实施例对本发明作进一步描述，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0042]实施例一:参见附图1所示，一种石墨烯LED芯片结构及其制备方法，包括下列步骤:
[0043]I)使用MOCVD或MBE在衬底I上生长成核层2，生长温度为520_570°C，厚度为10_30nm ；
[0044]2)在成核层2上生长U-GaN层3，生长温度为1080°C，厚度为2-4 μ m,不掺杂；
[0045]3)在U-GaN层3上生长N-GaN层4，生长温度为1080°C，厚度为0.2-1 μ m, Si掺杂浓度为5E17?3E18 ；
[0046]4)在N-GaN层4上生长InGaN/GaN多量子阱层5约5_10周期，其中生长温度为InGaN 层 650_850°C，厚度 l_5nm，GaN 层 700_900°C，厚度 5-lOnm，In 组分为 10%，最后生长截止层为GaN层；
[0047]5)对所述外延片进行表面酸洗；
[0048]6)对所述外延片依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的InGaN/GaN多量子阱层5的台面刻蚀图形，并去除图形上方的残胶；
[0049]7)采用ICP对所示外延片的InGaN/GaN多量子阱层5进行刻蚀，至N-GaN层4终止;
[0050]8)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的N电极8的台面图形，并去除图形上方的残胶；
[0051]9)在N-GaN层4上制备N电极8并退火。
[0052]10)对外延片进行依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成P型石墨烯6的生长台面图形，并去P型石墨烯6的生长图形上方的残胶；
[0053]11)将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的多层石墨烯材料置于光刻胶构成的P型石墨烯6的生长图形上，剥离形成P-石墨烯层6 ；
[0054]12)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的P电极7的台面图形，并去除图形上方的残胶；
[0055]13)在P-石墨烯上制备P电极7并退火，完成芯片制作。
[0056]制备上述LED芯片的工艺为:
[0057]I)使用MOCVD或MBE在衬底I上生长成核层2，生长温度为520_570°C，厚度为10_30nm ；
[0058]2)在成核层2上生长U-GaN层3，生长温度为1080°C，厚度为2_4 μ m，为非故意不掺杂层;
[0059]3)在U-GaN层3上生长N-GaN层4，生长温度为1080°C，厚度为0.2-1 μ m, Si掺杂，浓度为5E17?3E18 ；
[0060]4)在N-GaN层4上生长InGaN/GaN多量子阱层5约5_10周期，其中生长温度为InGaN层650-850°C，GaN层700-900°C，In组分为10%，最后生长截止层为GaN层；
[0061]5)对所述外延片进行表面酸洗；
[0062]所述酸洗采用如下两步清洗流程:〇I有机溶剂一去离子水一无机酸一氢氟酸一去离子水；2〇碱性过氧化氢溶液一去离子水一酸性过氧化氢溶液一去离子水；
[0063]6)对所述外延片依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的InGaN/GaN多量子阱层5的台面刻蚀图形，并去除图形上方的残胶；
[0064]7)采用ICP对所示外延片的InGaN/GaN多量子阱层5进行刻蚀，至N-GaN层4终止;
[0065]8)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的N电极8的台面图形，并去除图形上方的残胶；
[0066]9)在N-GaN层4上制备N电极8并退火。
[0067]10)对外延片进行依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成P型石墨烯6的生长台面图形，并去P型石墨烯6的生长图形上方的残胶；
[0068]11)将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的多层石墨烯材料置于光刻胶构成的P型石墨烯6的生长图形上，剥离形成P-石墨烯层6 ；
[0069]12)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的P电极7的台面图形，并去除图形上方的残胶；
[0070]13)在P-石墨烯上制备P电极7并退火，完成芯片制作。
【权利要求】
1.一种石墨烯结构的LED，其特征在于:该结构包括有衬底(1)、成核层(2)、非掺杂GaN层(3)、N型掺杂GaN层(4)、InGaN/GaN多量子阱结构(5)、P型掺杂石墨烯层(6)、P电极(7)、N电极⑶；其中，所述衬底(1)、成核层(2)、非掺杂GaN层(3)、N型掺杂GaN层(4)、InGaN/GaN多量子阱结构(5)、P型掺杂石墨烯层(6)、P电极(7)从下至上依次层叠设置；所述P电极(7)对应设置在P型掺杂石墨烯层(6)上；对所述外延片进行刻蚀，在N型掺杂GaN层(4)上制作N电极⑶； 外延生长多量子阱结构后，终止生长，采用P型石墨烯代替传统的P型GaN外延层； 所述衬底⑴可为蓝宝石、Si和SiC ； 所述成核层(2)可为低温GaN层、高温GaN、高温A1N层及其组成的多晶格结构层； 所述 P 电池(7)和 N 电极(8)的金属为 Ti/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Au、N1、Ni/Au、Cr/Au、Pd、Ti/Pd/Au、Pd/Au 中的一种； 所述外延片可为多种材料体系，如GaAs、GaN、ZnO ； InGaN/GaN多量子阱结构为5-20个周期，根据需要可以调整不同的生长温度以及掺杂浓度。
2.—种石墨烯结构的LED的制备方法，其特征在于: 1)使用MOCVD或MBE生长LED外延片，在外延InGaN/GaN多量子阱层后终止生长； 2)对所述外延片进行表面酸洗； 3)对所述外延片依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的InGaN/GaN多量子阱台面刻蚀图形，并去除图形上方的残胶； 4)采用ICP对所示外延片的InGaN/GaN多量子阱进行刻蚀，至N_GaN层终止； 5)对外延片进行依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成P型石墨烯生长台面图形，并去P型石墨烯生长图形上方的残胶； 6)将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的多层石墨烯材料置于光刻胶构成的P型石墨烯生长图形上，剥离形成P-石墨烯层； 7)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的P电极台面图形，并去除图形上方的残胶； 8)在P-石墨烯上制备P电极并退火； 9)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的N电极台面图形，并去除图形上方的残胶； 10)在N-GaN上制备N电极并退火。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯结构的LED的制备方法，其特征在于:该方法包括下列步骤: 1)使用MOCVD或MBE在衬底(1)上生长成核层(2)，生长温度为520_570°C，厚度为10_30nm ； 2)在成核层(2)上生长U-GaN层(3)，生长温度为1080°C，厚度为2_4μ m，不掺杂； 3)在U-GaN层(3)上生长N_GaN层(4)，生长温度为1080°C，厚度为0.2-1 μ m, Si掺杂浓度为5E17?3E18 ； 4)在N-GaN层(4)上生长InGaN/GaN多量子阱层(5)约5_10周期，其中生长温度为InGaN 层 650_850°C，厚度 l_5nm，GaN 层 700_900°C，厚度 5-lOnm，In 组分为 10%，最后生长截止层为GaN层； 5)对所述外延片进行表面酸洗； 6)对所述外延片依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的InGaN/GaN多量子阱层(5)的台面刻蚀图形，并去除图形上方的残胶； 7)采用ICP对所示外延片的InGaN/GaN多量子阱层(5)进行刻蚀，至N_GaN层(4)终止; 8)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的N电极(8)的台面图形，并去除图形上方的残胶； 9)在N-GaN层(4)上制备N电极⑶并退火； 10)对外延片进行依次进行正面匀胶、曝光、显影处理，形成P型石墨烯(6)的生长台面图形，并去P型石墨烯6的生长图形上方的残胶； 11)将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的多层石墨烯材料置于光刻胶构成的P型石墨烯(6)的生长图形上，剥离形成P-石墨烯层(6)； 12)对所述外延片依次进行匀胶、曝光、显影处理，形成由光刻胶构成的P电极(7)的台面图形，并去除图形上方的残胶； 13)在P-石墨烯上制备P电极(7)并退火，完成芯片制作。
【文档编号】H01L33/26GK104300052SQ201410535508
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】王智勇, 张杨, 杨翠柏, 杨光辉 申请人:北京工业大学