一種復合透明導電電極的led芯片及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種復合透明導電電極的LED芯片，包括依次生長在襯底上的氮化鎵緩沖層、N-GaN層、量子阱層、P-GaN層和復合透明電極層，其特征在于：所述的N-GaN層上制作有n型電極，復合透明電極層的石墨烯層上制作有p型電極，所述的復合透明電極層由石墨烯層狀薄膜和生長在石墨烯層狀薄膜上的ZnO納米棒復合而成，也介紹了該芯片的制作方法。本發(fā)明所形成的石墨烯層狀薄膜/ZnO納米棒復合透明電極層，具有防開裂、易加工且透光性能好的優(yōu)點，使得芯片的接觸性能、電流擴展性能和透射率都可以得到大幅提高，并可以大大減少后續(xù)芯片工藝的生產成本。
【專利說明】一種復合透明導電電極的LED芯片及其制作方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及LED芯片的【技術領域】，特別是一種復合透明導電電極的LED芯片及其制作方法。

【背景技術】
[0002]ZnO作為一種新型的寬禁帶半導體材料，具有與GaN相同的結構及相似的光電性能，甚至在激子發(fā)射性能等方面超越了 GaN，使其成為高效率LED和紫外波長LED的絕佳候選者。ZnO在可見光頻譜內具有很高的透射率，其電導率接近金屬薄膜，和ITO薄膜非常接近，經過摻雜或復合的ZnO透明導電薄膜，具有可與ITO薄膜相比擬的電學和光學特性。除此之外，與ITO相比，ZnO具有無毒無污染、原料豐富、成本低的優(yōu)勢，經過摻雜的ZnO透明導電薄膜，具有可與ITO薄膜相比擬的電學和光學特性，因此在光電領域的研宄也越趨活躍。
[0003]目前制約ZnO廣泛應用的最大難點就是ZnO的P型摻雜難以實現，所以其作為透明導電層與P-GaN層的歐姆接觸特性不佳，使其廣泛應用受到一定限制。石墨烯自從被成功制備以來，就受到了廣大研宄者的青睞。石墨烯具有石墨般完美的幾何結構與烯一樣的特性和應用。石墨烯具有較高的迀移率，由于其內部的散射機制主要以缺陷散射為主，所以在一定溫度范圍內迀移率為一個定值，理論值為200000 Cm2V4S'不僅如此，石墨烯具有很高的透過率(高達97%)，而且其電子迀移率高于ITO的三倍以上，完美的機械特性和優(yōu)良的電學特性，使其開始在導電層上得到廣泛的研宄和應用。但由于石墨烯厚度很薄，所以其薄層電阻較高，單獨用于導電薄膜則面臨電阻高、芯片正向電壓高的問題，因此，將石墨烯與ZnO進行復合成為了一種新型的電極制作方法，然而，目前ZnO在LED芯片中的應用形式通常為連續(xù)的ZnO外延薄膜，但這種連續(xù)薄膜的高致密性會在后續(xù)芯片刻蝕工藝中產生較大應力和應變，造成ZnO的過腐蝕和開裂，從而增加工藝難度。


【發(fā)明內容】

[0004]針對現有技術的不足，本發(fā)明提供一種具有防開裂、易加工且透光性能好的復合透明導電層的LED芯片及其制作方法，石墨烯層狀薄膜與ZnO納米棒復合后形成LED的復合透明電極層，接觸性能、電流擴展性能和透射率都可以得到大幅提高，并可以大大減少后續(xù)芯片工藝的生產成本。
[0005]本發(fā)明的技術方案為:一種復合透明導電電極的LED芯片，包括依次生長在襯底上的氮化鎵緩沖層、N-GaN層、量子阱層、P-GaN層和復合透明電極層，其特征在于:所述的N-GaN層上制作有η型電極，復合透明電極層的石墨烯層上制作有ρ型電極，所述的復合透明電極層由石墨烯層狀薄膜和生長在石墨烯層狀薄膜上的ZnO納米棒復合而成；所述的石墨烯層狀薄膜厚度為2?200nm，ZnO納米棒厚度為100_300nm。
[0006]一種復合透明導電電極的LED芯片的制作方法，包括如下步驟:
A、采用MOCVD技術在藍寶石襯底上依次生長氮化鎵緩沖層、N-GaN層、量子阱層和P-GaN 層； B、在P-GaN層涂覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，在一側通過ICP法刻蝕到N-GaN的臺面；
C、在P-GaN層上制作有復合透明電極層(TCL)，復合透明電極層由石墨烯的層狀薄膜和ZnO納米棒復合而成；
D、通過光刻工藝，在一側的復合透明電極層上腐蝕部分ZnO納米棒，然后在石墨烯層狀薄膜上得到P電極，另一側的N-GaN層上得到N電極，完成LED芯片的制作。
[0007]所述步驟C中，復合透明電極層的制作方法包含如下步驟:
Cl、首先將石墨烯或氧化石墨烯中的一種材料和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把混合材料涂覆在芯片晶圓上，使石墨烯或氧化石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，并且PMMA還起到對反應產物-石墨烯的機械支撐作用；
C2、把涂覆有混合材料的芯片晶圓放在中溫管式爐中，以H2為載氣、N2為保護氣體，用化學氣相沉積法(CVD)得到石墨烯層狀薄膜；
C3、把上述步驟制得的石墨烯層狀薄膜浸于丙酮溶液中，低溫(20-40°C)加熱，去除掉表面的PMMA，反復清洗后，室溫下晾干；
C4、用MOCVD法或USP法(超聲噴霧熱解法)在石墨烯層狀薄膜上生長一層ZnO納米棒。
[0008]所述的步驟C4中，ZnO納米棒的制作方法是以二乙鋅為鋅源，通入N2作為保護氣體和吹掃氣體、O2作為反應氣體，控制生長溫度至500?550°C，鋅源的氣體流量控制在為12000?15000sccm，反應腔室壓力為10?20torr，內中外三圈的電流保持在均勻恒定的水平，從而得到致密性和透過率較佳的陣列結構的ZnO納米棒。
所述的步驟C4中，ZnO納米棒的制作方法是采用USP法，以乙酸鋅作為鋅源，乙醇作為溶劑，把反應生成的金屬鹽溶液在腔室中進行霧化后噴入高溫區(qū)，控制溫度在550?650°C，金屬鹽溶液的濃度提高至0.8?1.5mol/L，從而在芯片晶圓上得到一組陣列結構的ZnO納米棒。
[0009]優(yōu)選地，所述的步驟Cl中，PMMA是通過超聲法實現與石墨烯或氧化石墨烯均勻混入口 ο
[0010]優(yōu)選地，所述的步驟C3中，石墨烯層狀薄膜反復清洗的方法是采用丙酮、異丙醇和去離子水進行反復清洗。
[0011]本發(fā)明中ZnO層的生長機理為:在通過MOCVD法生長ZnO層時，由于生長溫度對ZnO生長的形貌是起很大作用的；目前改變ZnO生長形貌也主要是靠調控溫度來控制，因為ZnO在500度以下生長時，生長方式是二維的生長，所以生成的是薄膜，而在500-550°C時，升高溫度可以使原來的二維生長變?yōu)槿S生長，而且ZnO為六面體結構，高溫時會對002面的生長更有利，所以生長會沿著002面三維生長成納米棒的陣列結構。在通過USP法生長ZnO層時，同樣通過提高工藝溫度以及增加金屬鹽溶液的濃度，使得ZnO從二維生長轉變?yōu)槿S生長的形式，并獲得所需的陣列式分布的ZnO納米棒結構。
[0012]本發(fā)明的有益效果為:工藝簡單，操作性好，本發(fā)明的復合透明導電層具有與LED芯片P-GaN層的良好歐姆接觸特性并使電阻降低且電流擴展更均勻，其在制作石墨烯和ZnO復合透明導電電極時形成的是ZnO納米棒結構，使得步驟D中在石墨烯層狀薄膜上得到P電極更為容易，同時相對于連續(xù)的ZnO層狀薄膜，ZnO納米棒結構的大量表面積更有利于后續(xù)芯片工藝中的應力釋放，獲得缺陷較少的晶體，從而大大減少了芯片制作的工藝難度，并降低了 ZnO膜層開裂帶來的返工成本，同時納米棒的陣列結構也有效地提高了芯片其出光效率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明所述的具有復合透明導電電極的LED芯片的結構示意圖。
[0014]圖中，1-襯底，2-緩沖層，3-N-GaN層，4-量子阱層，5- Ρ-GaN層，6_石墨烯層狀薄膜，7-ZnO納米棒，8-P電極，9-N電極。

【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明:
實施例1:如圖1所示，一種復合透明導電電極的LED芯片，采用MOCVD法在Al 203或GaN襯底上(I)依次生長氮化鎵緩沖層(2)、N-GaN層(3)、量子阱層(4)、P-GaN層(5);在P-GaN層上涂覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，通過ICP (反應離子蝕刻法)把P-GaN層的一側刻蝕到N-GaN層(3);首先將氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把其涂覆在襯底晶圓上，使氧化石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，并且PMMA還起到對反應產物-石墨稀的機械支撐作用；把上述材料放在中溫管式爐中，以仏為載氣，N2為保護氣體，用化學氣相沉積法得到石墨烯的層狀薄膜(6);把上述步驟制得的層狀薄膜(6)浸于丙酮溶液中，20-40°C低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反復清洗后，室溫下晾干；用國內首臺ZnO專用的M0CVD，以二乙鋅為鋅源，通入N2作為保護氣體和吹掃氣體、O2作為反應氣體，控制生長溫度為500?550°C，鋅源氣體流量控制在12000?15000sccm，反應腔室壓力為10?20torr，內中外三圈的電流保持在均勻恒定的水平，從而得到致密性和透過率較佳的陣列結構的ZnO納米棒(7);通過光刻工藝，在一側的復合透明電極層上腐蝕部分ZnO納米棒(7 )，然后在石墨烯層狀薄膜(6 )上得到P電極(8 )，另一側的N-GaN層(3 )上得到N電極(9 )，完成LED芯片的制作。
[0016]實施例2:如圖1所示，一種復合透明導電電極的LED芯片，采用MOCVD法在Al 203或GaN襯底上(I)依次生長氮化鎵緩沖層(2)、N-GaN層(3)、量子阱層(4)、P-GaN層(5)；在P-GaN層上涂覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，通過ICP (反應離子蝕刻法)把P-GaN層的一側刻蝕到N-GaN層(3);首先將石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把其涂覆在襯底晶圓上，使石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，并且PMMA還起到對反應產物-石墨烯的機械支撐作用；把上述材料放在中溫管式爐中，以4為載氣，N2為保護氣體，用化學氣相沉積法得到石墨烯的層狀薄膜(6);把上述步驟制得的層狀薄膜(6)浸于丙酮溶液中，20-40°C低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反復清洗后，室溫下晾干；用國內首臺ZnO專用的M0CVD，以二乙鋅為鋅源，通入隊作為保護氣體和吹掃氣體、O2作為反應氣體，控制生長溫度為500?550°C，鋅源氣體流量控制在12000?15000sccm，反應腔室壓力為10?20torr，內中外三圈的電流保持在均勻恒定的水平，從而得到致密性和透過率較佳的陣列結構的ZnO納米棒(7);通過光刻工藝，在一側的復合透明電極層上腐蝕部分ZnO納米棒(7)，然后在石墨烯層狀薄膜(6)上得到P電極(8)，另一側的N-GaN層(3 )上得到N電極(9 )，完成LED芯片的制作。
[0017]實施例3:如圖1所示，一種復合透明導電電極的LED芯片，采用MOCVD法在Al 203或GaN襯底上(I)依次生長氮化鎵緩沖層(2 )、N-GaN層(3 )、量子阱層(4 )、P-GaN層(5 );在P-GaN層上涂覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，通過ICP(反應離子蝕刻法)把P-GaN層的一側刻蝕到N-GaN層(3);首先將氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把其涂覆在襯底晶圓上，使氧化石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，并且PMMA還起到對反應產物-石墨稀的機械支撐作用；把上述材料放在中溫管式爐中，以H2為載氣，N2為保護氣體，用化學氣相沉積法得到石墨烯的層狀薄膜(6);把上述步驟制得的層狀薄膜(6)浸于丙酮溶液中，20-40°C低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反復清洗后，室溫下晾干；采用USP法，以乙酸鋅作為鋅源，乙醇作為溶劑，把反應生成的0.8?1.5mol/L濃度的金屬鹽溶液在腔室中進行霧化后噴入高溫區(qū)，控制溫度在550?650°C，從而在上述晶圓上得到一層ZnO納米棒(7);通過光刻工藝、在一側的石墨烯層上制備出P電極(8 )，另一側的N-GaN層(3 )上制備出N電極(9 )，完成LED芯片的制作。
[0018]實施例4:如圖1所示，一種復合透明導電電極的LED芯片，采用MOCVD法在Al 203或GaN襯底上(I)依次生長氮化鎵緩沖層(2 )、N-GaN層(3 )、量子阱層(4 )、P-GaN層(5 );在P-GaN層上涂覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，通過ICP (反應離子蝕刻法)把P-GaN層的一側刻蝕到N-GaN層(3);首先將石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把其涂覆在襯底晶圓上，使石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，并且PMMA還起到對反應產物-石墨烯的機械支撐作用；把上述材料放在中溫管式爐中，以H2為載氣，N2為保護氣體，用化學氣相沉積法得到石墨烯的層狀薄膜(6);把上述步驟制得的層狀薄膜(6)浸于丙酮溶液中，20-40°C低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反復清洗后，室溫下晾干；采用USP法，以乙酸鋅作為鋅源，乙醇作為溶劑，把反應生成的0.8?1.5mol/L濃度的金屬鹽溶液在腔室中進行霧化后噴入高溫區(qū)，控制溫度在550?650°C，從而在上述晶圓上得到一層ZnO納米棒(7);通過光刻工藝、在一側的石墨稀層上制備出P電極(8)，另一側的N-GaN層(3 )上制備出N電極(9 )，完成LED芯片的制作。
[0019]上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理和最佳實施例，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。
【權利要求】
1.一種復合透明導電電極的LED芯片，包括依次生長在襯底上的氮化鎵緩沖層、N-GaN層、量子阱層、P-GaN層和復合透明電極層，其特征在于:所述的N-GaN層上制作有η型電極，復合透明電極層的石墨烯層上制作有P型電極，所述的復合透明電極層由石墨烯層狀薄膜和生長在石墨烯層狀薄膜上的ZnO納米棒復合而成。
2.根據權利要求1所述的復合透明導電電極的LED芯片，其特征在于:所述的石墨烯層狀薄膜厚度為2?200nm，ZnO納米棒厚度為100_300nmo
3.一種復合透明導電電極的LED芯片的制作方法，包括如下步驟: A、采用MOCVD技術在藍寶石襯底上依次生長氮化鎵緩沖層、N-GaN層、量子阱層和P-GaN 層； B、在P-GaN層涂覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，在一側通過ICP法刻蝕到N-GaN的臺面； C、在P-GaN層上制作有復合透明電極層(TCL)，復合透明電極層由石墨烯的層狀薄膜和ZnO納米棒復合而成； D、通過光刻工藝，在一側的復合透明電極層上腐蝕部分ZnO納米棒，然后在石墨烯層狀薄膜上得到P電極，另一側的N-GaN層上得到N電極，完成LED芯片的制作。
4.根據權利要求3所述的復合透明導電電極的LED芯片的制作方法，其特征在于:所述步驟C中，復合透明電極層的制作方法包含如下步驟: Cl、首先將石墨烯或氧化石墨烯中的一種材料和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把混合材料涂覆在芯片晶圓上； C2、把涂覆有混合材料的芯片晶圓放在中溫管式爐中，以H2為載氣、N2為保護氣體，用化學氣相沉積法(CVD)得到石墨烯層狀薄膜； C3、把上述步驟制得的石墨烯層狀薄膜浸于丙酮溶液中，低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反復清洗后，室溫下晾干； C4、用MOCVD法或USP法在石墨烯層狀薄膜上生長一層ZnO納米棒。
5.根據權利要求4所述的復合透明導電電極的LED芯片的制作方法，其特征在于:所述的步驟C4中，ZnO納米棒的制作方法是以二乙鋅為鋅源，通入N2作為保護氣體和吹掃氣體、O2作為反應氣體，控制生長溫度為500-550°C，鋅源的氣體流量控制為12000-15000sccm,反應腔室壓力為 10_20torr。
6.根據權利要求4所述的復合透明導電電極的LED芯片的制作方法，其特征在于:所述的步驟C4中，ZnO納米棒的制作方法是采用USP法，以乙酸鋅作為鋅源，乙醇作為溶劑，把反應生成濃度為0.8?1.5mol/L的金屬鹽溶液在腔室中進行霧化后噴入高溫區(qū)，控制溫度在550-650°C，從而在芯片晶圓上得到一層ZnO納米棒。
7.根據權利要求4所述的復合透明導電電極的LED芯片的制作方法，其特征在于:所述的步驟Cl中，PMMA是通過超聲法實現與石墨稀或氧化石墨稀均勾混合。
8.根據權利要求4所述的復合透明導電電極的LED芯片的制作方法，其特征在于:所述的步驟C3中，石墨烯層狀薄膜反復清洗的方法是采用丙酮、異丙醇和去離子水進行反復清洗。
【文檔編號】H01L33/00GK104505445SQ201410779826
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權日:2014年12月17日
【發(fā)明者】李方芳, 郝銳, 許德裕, 王波, 羅長得, 易翰翔, 劉洋 申請人:廣東德力光電有限公司