基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)led加工方法
【專利摘要】一種利用柔性石墨烯電極加工垂直結(jié)構(gòu)LED芯片方法以及用該方法獲得的芯片，平坦化基底石墨烯粘附層聚合物表面；將高電導(dǎo)率的石墨烯平鋪在粘附聚合物表面上；通過圖形化制作出石墨烯底電極；制作鎵氮基LED的電荷注入層及發(fā)光層，并注入層表面生長(zhǎng)修飾分子層；以光刻膠為掩膜，芯片層分割成獨(dú)立的LED芯片；鍵合步驟；將LED芯片分離，涂膠鈍化芯片側(cè)壁，修飾分子層；將石墨烯鋪展在柔性聚合物表面，形成與底電極十字交叉的頂電極；再進(jìn)行鍵合；底電極和頂電極金屬化，剝離芯片鈍化保護(hù)層，形成電極壓線孔，劃片，檢測(cè)LED芯片。該制備方法完全與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝兼容，可以大幅降低LED芯片成本，提高LED芯片性能，為新一代LED芯片的生產(chǎn)及廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
【專利說明】
基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體固態(tài)照明、材料生長(zhǎng)及微納加工工藝領(lǐng)域，尤其涉及利用柔性石墨烯電極的制作垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]LED固態(tài)光源消耗能量較同光效的白熾燈減少約80%，成為最重要的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品之一，已在全球被廣泛推廣及應(yīng)用。目前，LED發(fā)展趨勢(shì)主要有兩個(gè)方向:一是提高LED芯片的電光轉(zhuǎn)換效率;二是降低LED芯片的成本。垂直結(jié)構(gòu)LED芯片能夠保證在一定的發(fā)光效率的前提下，采用較大的電流去驅(qū)動(dòng)，使得一個(gè)垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片發(fā)光亮度相當(dāng)于好幾個(gè)正裝結(jié)構(gòu)芯片。另外，垂直結(jié)構(gòu)芯片對(duì)用MOCVD制作的發(fā)光外延層利用效率大大提高，使得垂直結(jié)構(gòu)芯片的成本相對(duì)正裝結(jié)構(gòu)大大降低。
[0003]在傳統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片中，基于導(dǎo)電及導(dǎo)熱考慮，一般用金、銅、銀等金屬作為電極。芯片成本較高，并且這些金屬薄膜都是不透光，還會(huì)降低芯片的出光效率。也有考慮采用氧化鋅、ITO等透明導(dǎo)電材料，但是由于導(dǎo)熱性差、成本高、工藝復(fù)雜、對(duì)芯片出光效率提高不明顯等原因，均沒有被廣泛使用。石墨烯材料表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性，并且它在可見光波段是透明的。利用石墨烯制作垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的電極，有可能進(jìn)一步提高LED芯片的電光轉(zhuǎn)換效率。
[0004]在目前被普遍采用的正裝結(jié)構(gòu)LED芯片中，正負(fù)電荷注入電極在芯片同一側(cè)，電流需要橫向流過n-GaN層，導(dǎo)致電流擁擠，局部發(fā)熱量大，限制了可使用的最大驅(qū)動(dòng)電流。正裝結(jié)構(gòu)LED芯片中藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性較差，熱導(dǎo)率為35 W/m XK，由于驅(qū)動(dòng)方式引起的局部過熱使得芯片發(fā)光不穩(wěn)定，使用壽命減小。傳統(tǒng)垂直結(jié)構(gòu)芯片使用金屬薄膜作為電極，會(huì)對(duì)發(fā)射光吸收、散射、漫反射等，減低了出光效率，并且芯片成本較高。本發(fā)明利用高導(dǎo)電高透光的石墨烯薄膜作為垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的上下電極，并且石墨烯薄膜的熱導(dǎo)率約5000 ff/mXK，同時(shí)作為優(yōu)良的芯片散熱層。本發(fā)明的目的在于提供一種利用柔性石墨烯電極制作垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的加工方法，用于新一代高效低成本LED芯片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，該方法包括:
步驟I:在基底上制作一層石墨烯粘附層聚合物，并平坦化基底表面；
步驟2:利用化學(xué)氣相沉積或溶液化學(xué)法制備透明的高電導(dǎo)率的石墨烯，將其薄層平鋪在粘附聚合物表面上；
步驟3:通過圖形化，除去部分石墨烯，制作出石墨烯底電極，并預(yù)留出頂電極位置；步驟4:在藍(lán)寶石襯底上制作鎵氮基LED的電荷注入層及發(fā)光層，并在頂層的電荷注入層表面生長(zhǎng)修飾分子層，利于化學(xué)鍵合石墨烯； 步驟5:以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕將鎵氮層刻蝕到寶石襯底，芯片層分割成獨(dú)立的LED芯片；
步驟6:將步驟3制作的圖案化石墨烯電極與步驟6制作的獨(dú)立LED芯片的頂層電荷注入層進(jìn)行鍵合；
步驟7:采用激光剝離技術(shù)，將LED芯片從寶石襯底上分離下來，涂膠鈍化芯片側(cè)壁，在新暴露的電荷注入層表面修飾分子層，使其易于化學(xué)鍵合石墨烯；
步驟8:將透明高電導(dǎo)率的石墨烯鋪展在柔性聚合物表面，圖案化，形成與底電極十字交叉的頂電極；
步驟9:將步驟8制作的圖案化柔性石墨烯頂電極與步驟7制作的表面修飾過的電荷注入層進(jìn)行鍵合，去除支撐石墨烯電極的柔性聚合物；
步驟10:底電極和頂電極金屬化，剝離芯片鈍化保護(hù)層，形成電極壓線孔，劃片，檢測(cè)LED芯片；
上述方案中，所述基底可以是任何材質(zhì)，包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。
[0006]上述方案中，所述石墨烯粘附層聚合物是由任意親和石墨烯的聚合物或混合物構(gòu)成，如，PDMS、SU8、PMMA、各種光刻膠等。其中所述的平坦化制作方法包括旋涂、噴涂、自流平等等。
[0007]上述方案中，所述石墨烯可以是采用各種途徑制備的，其形成薄膜后的電導(dǎo)率在12SlO3 SXcm—1之間。石墨烯薄膜的透光率在60%至100%之間。
[0008]上述方案中，所述圖形化是采用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行光刻和干法刻蝕。
[0009]上述方案中，表面修飾或改性的方法包括各種物理、化學(xué)、生物途徑。所獲得的表面修飾層易于與石墨烯化學(xué)鍵合。
[0010]上述方案中，利用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝，經(jīng)過光刻和干法刻蝕，將發(fā)光芯片分離成個(gè)體。
[0011]上述方案中，首先需要光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，然后將2個(gè)基片壓在一起，在一定溫度(室溫至180 C)下完成鍵合。
[0012]上述方案中，用光刻膠鈍化芯片側(cè)壁，表面修飾新暴露的電荷注入層，使其易于化學(xué)鍵合石墨烯，并定義出基底上石墨烯鍵和區(qū)。
[0013]上述方案中，步驟8特征與步驟1、2、3相同。
[0014]上述方案中，步驟9特征與步驟6相同。
[0015]上述方案中，先用剝離技術(shù)將底電極和頂電極的焊線盤做好，然后整面鈍化保護(hù)，再將焊線盤上開口。
[0016]有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
1.利用本發(fā)明，垂直結(jié)構(gòu)LED避免了驅(qū)動(dòng)電流集中引發(fā)的局部過熱問題，增加了芯片穩(wěn)定性及壽命?？梢允褂幂^大的驅(qū)動(dòng)電流，使LED芯片在高電光轉(zhuǎn)換效率下工作，更節(jié)能。相同面積的MOCVD外延材料可以制作更多的芯片，降低單個(gè)芯片的成本。藍(lán)寶石襯底材料可重復(fù)使用，更節(jié)能環(huán)保。
[0017]2.利用本發(fā)明，將石墨烯薄膜制作成垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的上下電極，利用石墨烯薄膜的柔性、高電導(dǎo)率、高透明，工藝簡(jiǎn)約可靠。與采用金屬電極相比，獲得更高的出光效率，更好的導(dǎo)熱性，更低的成本。
【附圖說明】
[0018]圖1-圖10是一種基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]請(qǐng)參閱圖1至圖10所示，本發(fā)明提供一種基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，包括如下步驟:
步驟1:在襯底100上制作石墨烯粘附層聚合物101，并平坦化基底表面;所述襯底100是可以是任何材質(zhì)，包括導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體;所述石墨烯粘附層聚合物101是由任意親和石墨烯的聚合物或混合物構(gòu)成，如，PDMS、SU8、PMMA、各種光刻膠等;其中所述的平坦化制作方法包括旋涂、噴涂、自流平等等(如圖1所示)。
[0020]步驟2:利用化學(xué)氣相沉積或溶液化學(xué)法制備透明的高電導(dǎo)率的石墨烯，將其薄層平鋪在粘附聚合物表面上，形成102;所述石墨烯可以是采用各種途徑制備的，其形成薄膜后的電導(dǎo)率在10—3至13 SXcnf1之間；石墨烯薄膜的透光率在60%至100%之間(如圖2所示)。[0021 ] 步驟3:通過圖形化，除去部分石墨稀，制作出石墨稀底電極，并預(yù)留出頂電極位置;所述圖形化是采用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行光刻和干法刻蝕(如圖3所示)。
[0022]步驟4:在藍(lán)寶石襯底103上制作鎵氮基LED的電荷注入層105、107及發(fā)光層106，它們都生長(zhǎng)在氮化鎵緩沖層104之上;在頂層的電荷注入層107表面生長(zhǎng)修飾分子層108，利于化學(xué)鍵合石墨烯;所述的表面修飾或改性的方法包括各種物理、化學(xué)、生物途徑。所獲得的表面修飾層易于與石墨烯化學(xué)鍵合(如圖4所示)。
[0023]步驟5:以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕將鎵氮層刻蝕到寶石襯底，芯片層分割成獨(dú)立的LED芯片；涉及利用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝，經(jīng)過光刻和干法刻蝕，將發(fā)光芯片分離成個(gè)體(如圖5所示)。
[0024]步驟6:將步驟3制作的圖案化石墨烯電極102面與步驟6制作的獨(dú)立LED芯片的頂層電荷注入層108進(jìn)行鍵合;涉及到，首先需要光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，然后將2個(gè)基片壓在一起，在一定溫度(室溫至180 °C)下完成鍵合(如圖6所示)。
[0025]步驟7:采用激光剝離技術(shù)，將LED芯片從寶石襯底上分離下來，涂膠109鈍化芯片側(cè)壁，在新暴露的電荷注入層105表面修飾分子層108，使其易于化學(xué)鍵合石墨烯;涉及用光刻膠鈍化芯片側(cè)壁，表面修飾新暴露的電荷注入層，使其易于化學(xué)鍵合石墨烯，并定義出基底上石墨稀鍵和區(qū)(如圖7所不)。
[0026]步驟8:將透明高電導(dǎo)率的石墨烯層102鋪展在柔性聚合物101表面，圖案化，形成與底電極十字交叉的頂電極(如圖8所示)
步驟9:將步驟8制作的圖案化柔性石墨烯頂電極102與步驟7制作的表面修飾(面108 )過的電荷注入層105進(jìn)行鍵合，去除支撐石墨烯電極的柔性聚合物101(如圖9所示)
步驟10:底電極和頂電極金屬化110，剝離芯片鈍化保護(hù)層111，形成電極壓線孔，劃片，檢測(cè)LED芯片;涉及先用剝離技術(shù)將底電極和頂電極的焊線盤做好，然后整面鈍化保護(hù)，再將焊線盤上開口(如圖10所示)
實(shí)施例: 1.采用厚度為0.5mm的玻璃片作為襯底100，旋涂PDMS做石墨烯粘附層101，形成表面平坦的基底；
2.采用化學(xué)氣相沉積法制備透明的高電導(dǎo)率的石墨烯，將其薄層平鋪在粘附聚合物101表面上，形成102，石墨稀薄膜的電導(dǎo)率大約10 S X Cm—1，石墨稀薄膜的透光率為80%;
3.通過光刻，以光刻膠為掩膜，用氧氣等離子體刻蝕除去部分石墨烯，形成出石墨烯底電極，并預(yù)留出頂電極位置；
4.以藍(lán)寶石為襯底103，在MOCVD中生長(zhǎng)不摻雜的氮化鎵緩沖層104，再生長(zhǎng)鎵氮基LED的電荷注入層105、107及發(fā)光層106;用氧等離子體處理頂層的電荷注入層107，在其表面形成大量活性羥基，再旋涂修飾分子3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，生成表面修飾層108，用于化學(xué)鍵合石墨烯；
5.通過光刻，以光刻膠為掩膜，采用氯基氣體的干法刻蝕，將鎵氮層刻蝕到寶石襯底，芯片層分割成獨(dú)立的LED芯片個(gè)體；
6.通過光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，將步驟3制作的圖案化石墨烯電極102面與步驟6制作的獨(dú)立LED芯片的頂層電荷注入層108壓在一起，在150 °C，2小時(shí)下完成鍵合；
7.采用激光剝離技術(shù)，將LED芯片從寶石襯底上分離下來，涂SU8膠，再用氧氣等離子體回刻，形成鈍化芯片側(cè)壁的保護(hù)膠109;用與步驟4相同的方法，在新暴露的電荷注入層105表面修飾分子層108，使其易于化學(xué)鍵合石墨??；
8.采用與步驟I相同的方法，將透明高電導(dǎo)率的石墨烯層102鋪展在柔性聚合物101表面，圖案化，形成與底電極十字交叉的頂電極；
9.將步驟8制作的圖案化柔性石墨烯頂電極102與步驟7制作的表面修飾(面108)過的電荷注入層105進(jìn)行鍵合，去除支撐石墨烯電極的柔性聚合物101;
10.采用光刻玻璃金屬，制作出底電極和頂電極110;再利用光刻剝離，制作芯片鈍化保護(hù)層111，同時(shí)形成電極壓線孔;劃片，檢測(cè)LED芯片。
[0027]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
4.石墨烯薄膜的透光率在60%至100%之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，步驟3特征在于，其中所述圖形化是采用半導(dǎo)體工藝進(jìn)行光刻和干法刻蝕。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，步驟5特征在于，利用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝，經(jīng)過光刻和干法刻蝕，將發(fā)光芯片分離成個(gè)體。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，步驟6特征在于，首先需要光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，然后將2個(gè)基片壓在一起，在室溫至180 ° C下完成鍵合。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，步驟7特征在于，用光刻膠鈍化芯片側(cè)壁，表面修飾新暴露的電荷注入層，使其易于化學(xué)鍵合石墨烯，并定義出基底上石墨稀鍵合區(qū)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，步驟8特征與步驟1、2、3相同。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，步驟9特征與步驟6相同。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED加工方法，步驟10特征在于，先用剝離技術(shù)將底電極和頂電極的焊線盤做好，然后整面鈍化保護(hù)，再將焊線盤上開□ O12.—種由權(quán)利要求1 -11任一方法制得的柔性石墨烯電極的垂直結(jié)構(gòu)LED。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK105957939SQ201610360660
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月28日
【發(fā)明人】張明亮, 胡坤
【申請(qǐng)人】江蘇積匯新能源科技有限公司