一种发光二极管的外延片及制备方法与流程

本发明涉及光电子制造技术领域，特别涉及一种发光二极管的外延片及制备方法。

背景技术：

LED(Light Emitting Diode，发光二极管)具有体积小、寿命长、功耗低等优点，目前被广泛应用于汽车信号灯、交通信号灯、显示屏以及照明设备。

现有的LED主要包括衬底、成核层、未掺杂GaN层、n型层、多量子阱层、p型层和导电层。

目前在制作外延片时，导电层通常采用ITO(Indium tin oxide，氧化铟锡)制成，导电层需要有足够的厚度以降低横向电阻，利于电流在导电层内的横向扩展，但是随着厚度的增加，其透光性会下降，从而导致LED的亮度降低。

技术实现要素：

为了提高LED的亮度，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法及外延片。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，所述制备方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上生长成核层；

在所述成核层上生长未掺杂GaN层；

在所述未掺杂GaN层上生长n型GaN层；

在所述n型GaN层上生长多量子阱层；

在所述多量子阱层上生长p型GaN层；

在所述p型GaN层上生长石墨烯层；

在所述石墨烯层上生长ZnO纳米锥层；

在所述ZnO纳米锥层上生长银纳米颗粒层。

可选地，所述在所述p型GaN层上生长石墨烯层，包括：

采用化学气相沉积法在金属基板上制备石墨烯薄膜；

将所述石墨烯薄膜转移至所述p型GaN层上，形成所述石墨烯层。

可选地，所述将所述石墨烯薄膜转移至所述p型GaN层上，形成所述石墨烯层，包括：

在所述石墨烯薄膜上涂覆第一层聚甲基丙烯酸甲酯；

腐蚀所述金属基板，将所述石墨烯薄膜与所述金属基板分离；

通过所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯将所述石墨烯薄膜转移至所述p型GaN层上，其中，所述石墨烯薄膜位于所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯和所述p型GaN层之间；

在所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯上涂覆第二层聚甲基丙烯酸甲酯，将石墨烯薄膜紧密贴合在所述p型GaN层；

加热所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯，将所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯与所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯紧密黏合在一起；

去除所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯和所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯。

优选地，所述在所述石墨烯层上生长ZnO纳米锥层，包括：

采用水热法在所述石墨烯层上生长所述ZnO纳米锥层。

优选地，所述采用水热法在所述石墨烯层上生长所述ZnO纳米锥层，包括：

采用磁控溅射法在所述石墨烯层上生成一层ZnO种子层；

在所述ZnO种子层上生长ZnO纳米锥，形成所述ZnO纳米锥层。

可选地，所述在所述ZnO纳米锥层上生长银纳米颗粒层，包括：

采用磁控溅射法在所述ZnO纳米锥层上沉积一层银纳米颗粒，形成所述银纳米颗粒层。

可选地，在所述ZnO纳米锥层上生长银纳米颗粒层之后，所述制备方法还包括：

去除部分的所述银纳米颗粒层和所述ZnO纳米锥层，露出部分的所述石墨烯层；

去除部分的所述多量子阱层和所述p型GaN层，露出部分的所述n型GaN层；

在露出的所述石墨烯层上制备p电极，在露出的所述n型GaN层上制备n电极。

另一方面，本发明实施例还提供了一种发光二极管的外延片，所述外延片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、p型GaN层，p型GaN层上设有石墨烯层，所述石墨烯层上设有ZnO纳米锥层，所述ZnO纳米锥层上设有银纳米颗粒层。

可选地，所述银纳米颗粒层和所述ZnO纳米锥层的总厚度为150～300nm。

优选地，所述外延片还包括电子阻挡层，所述电子阻挡层层叠在所述多量子阱层和所述p型GaN层之间。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过在衬底上依次生长成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、p型GaN层、石墨烯层、ZnO纳米锥层和银纳米颗粒层，石墨烯具有很高的光透性，可以降低对光的吸收，ZnO纳米锥层的几何形状可以减少全反射，提高出光率，通过在ZnO纳米锥层表面设置银纳米颗粒层，在ZnO纳米锥层和银纳米颗粒层之间产生表面等离激元，表面等离激元与LED发出的光产生共振，从而提高了发光效率，使LED的亮度得到提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管芯片的制备方法的流程图；

图3～图7为本发明实施例提供的石墨烯薄膜转移过程示意图；

图8是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的另一种发光二极管芯片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种发光二极管的外延片的制备方法，图1是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的制备方法的流程图，如图1所示，该方法包括：

S11：提供一衬底。

在本实施例中，衬底可以选用蓝宝石衬底。

S12：在衬底上生长成核层。

S13：在成核层上生长未掺杂GaN层。

S14：在未掺杂GaN层上生长n型GaN层。

S15：在n型GaN层上生长多量子阱层。

S16：在多量子阱层上生长p型GaN层。

S17：在p型GaN层上生长石墨烯层。

S18：在石墨烯层上生长ZnO纳米锥层。

S19：在ZnO纳米锥层上生长银纳米颗粒层。

ZnO纳米锥层包括阵列排布的多个ZnO纳米锥，每个ZnO纳米锥呈圆锥状，且ZnO纳米锥的尖端指向远离p型GaN层的一侧。

本发明实施例通过在衬底上依次生长成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、p型GaN层、石墨烯层、ZnO纳米锥层和银纳米颗粒层，石墨烯具有很高的光透性，可以降低对光的吸收，ZnO纳米锥层的几何形状可以减少全反射，提高出光率，通过在ZnO纳米锥层表面设置银纳米颗粒层，在ZnO纳米锥层和银纳米颗粒层之间产生表面等离激元，表面等离激元与LED发出的光产生共振，从而提高了发光效率，使LED的亮度得到提高。

图2是本发明实施例提供的另一种发光二极管芯片的制备方法的流程图，如图2所示，该方法包括：

S21：提供一衬底。

在本实施例中，衬底可以选用蓝宝石衬底。

具体地，可以将蓝宝石衬底在MOCVD(Meta1Organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉淀)反应腔中加热至1000～1100℃，在氢气气氛里对蓝宝石衬底进行退火处理8分钟，以对衬底表面进行清理，然后对蓝宝石衬底进行氮化处理。

S22：在衬底上外延生长成核层。

优选地，成核层的生长温度可以为400～600℃，成核层的生长温度过高或过低都会影响成核层的质量，从而导致最终的外延片晶体质量差。

可选地，成核层的生长压力可以为400～600Torr。

实现时，可以将反应腔的温度下降至400～600℃，压力调节为400～600Torr，进行成核层的生长。

进一步地，生长完成核层后，进行原位退火处理，退火温度可以为1000～1200℃，退火时间为5～10分钟。

可选地，成核层的厚度为15～35nm。

S23：在成核层上外延生长未掺杂GaN层。

可选地，未掺杂GaN层的生长温度为1000～1100℃。

实现时，可以将反应腔的温度调节至1000～1100℃，压力调节至100～500Torr，进行未掺杂GaN层的生长。

可选地，未掺杂GaN层的厚度为1～5μm。

S24：在未掺杂GaN层上外延生长n型GaN层。

可选时，n型GaN层的生长温度为1000～1200℃。

实现时，将反应腔的温度调节至1000～1200℃，压力调节至100～500Torr，进行n型GaN层的生长。

可选地，n型GaN层的厚度为1～5μm。

优选地，n型GaN层中掺杂的Si的浓度为1×10¹⁸～1×10¹⁹cm^-3，掺杂浓度过低会使得载流子浓度过小，掺杂浓度过高会降低晶格质量。

S25：在n型GaN层上外延生长多量子阱层。

可选地，多量子阱层为交替生长的InGaN层和GaN层。

进一步地，InGaN层和GaN层交替生长的周期数可以为5～11。其中，InGaN层的厚度可以为2～3nm，GaN层的厚度可以为9～20nm。

具体地，在生长InGaN层时，将反应腔的温度调节至720～829℃，压力调节至100～500Torr，在生长GaN层时，将反应腔的温度调节至850～959℃，压力调节至100～500Torr。

S26：在多量子阱层上外延生长电子阻挡层。

可选地，电子阻挡层为p型Al_yGa_1-yN层，其中0.1<y<0.5。

进一步地，电子阻挡层的厚度可以为20～100nm，电子阻挡层过薄则无法阻挡电子，过厚则会降低出光率，使得LED亮度降低。

实现时，将反应腔的温度调节至200～1000℃，压力调节至200～800Torr，进行电子阻挡层的生长。

S27：在电子阻挡层上外延生长p型GaN层。

实现时，可以将反应腔的温度调节至600～1000℃，压力调节至100～300Torr，进行p型GaN层的生长。

可选地，p型GaN层的厚度可以为100～800nm。

进一步地，在完成p型GaN层之后，调节反应腔的温度至650～850℃，在氮气气氛中进行退火，退火时间为5～15分钟。

在完成退火后，将反应腔的温度逐渐降低至室温。

S28：在p型GaN层上生长石墨烯层。

具体地，可以采用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法在金属基板上制备石墨烯薄膜。

可选地，金属基板可以为镍金属基板。

将石墨烯薄膜转移至p型GaN层上，以形成石墨烯层。

实现时，在镍金属基板上形成石墨烯薄膜后，可以采用PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)将石墨烯薄膜转移至p型GaN层上以形成石墨烯层。

具体地，图3～图7为本发明实施例提供的石墨烯薄膜转移过程示意图，结合图3～图7，可以采用以下方法转移石墨烯薄膜：

如图3所示，先在石墨烯薄膜上涂覆第一层PMMA，由PMMA作为转移载体；

如图4所示，腐蚀金属基板，以将石墨烯薄膜与金属基板分离；

如图5所示，通过第一层PMMA将石墨烯薄膜转移至p型GaN层上，其中，第一层PMMA和p型GaN层分别位于石墨烯薄膜相反的两侧；

如图6所示，在第一层PMMA上涂覆第二层PMMA，并加热，以确保石墨烯薄膜与p型GaN层紧密结合；

如图7所示，去除第二层PMMA和第一层PMMA。

可选地，在第一层PMMA上涂覆第二层PMMA后的加热温度可以为105℃，加热时可以维持温度在105℃数分钟，以确保石墨烯薄膜与p型GaN层紧密结合。

实现时，可以采用丙酮溶液溶解PMMA，使得石墨烯薄膜与PMMA分离。

此外，在溶解PMMA时，可以进行加热，以提高溶解速度，再完成PMMA的溶解后，对外延片进行清洗，并在室温下晾干，以完成石墨烯层的制备。

S29：在石墨烯层上生长ZnO纳米锥层。

实现时，可以采用水热法制备ZnO纳米锥层。

具体地，步骤S29可以包括：

采用磁控溅射法在石墨烯层上生成一层致密的ZnO种子层；

在ZnO种子层上生长ZnO纳米锥，形成ZnO纳米锥层，

待外延片自然冷却到室温后，采用去离子水清洗外延片，并在氮气保护下干燥外延片，完成ZnO纳米锥层的制备。

其中，ZnO种子层的厚度可以为50～150nm。其中，在ZnO种子层上生长ZnO纳米锥可以在高压釜中进行，高压釜中的反应物可以为硝酸锌和六亚甲基四胺，高压釜中的温度可以控制在95℃。

可选地，高压釜可以为聚四氟乙烯高压釜，其内衬为聚四氟乙烯材质。

S30：在ZnO纳米锥层上生长银纳米颗粒层。

实现时，可以采用磁控溅射法在ZnO纳米锥层上沉积一层银纳米颗粒，以形成银纳米颗粒层。

可选地，银纳米颗粒层和ZnO纳米锥层的总厚度可以为150～300nm。

S31：制备电极。

具体地，步骤S29可以包括：

去除部分银纳米颗粒层和ZnO纳米锥层，以露出部分石墨烯层。

去除部分多量子阱层和p型GaN层，以露出部分n型GaN层。

在露出的部分石墨烯层上制备p电极，在露出的部分n型GaN层上制备n电极，以完成电极的制备。

本发明实施例还提供了一种发光二极管的外延片，图8是本发明实施例提供的一种发光二极管芯片的结构示意图，如图8所示，该外延片包括衬底11、以及依次外延层叠在衬底11上的成核层12、未掺杂GaN层13、n型GaN层14、多量子阱层15、p型GaN层16，p型GaN层16上设有石墨烯层171，石墨烯层171上设有ZnO纳米锥层172，ZnO纳米锥层172上设有银纳米颗粒层173。

本发明实施例通过在衬底上依次生长成核层、未掺杂GaN层、n型GaN层、多量子阱层、p型GaN层、石墨烯层、ZnO纳米锥层和银纳米颗粒层，石墨烯具有很高的光透性，可以降低对光的吸收，ZnO纳米锥层的几何形状可以减少全反射，提高出光率，通过在ZnO纳米锥层表面设置银纳米颗粒层，在ZnO纳米锥层和银纳米颗粒层之间产生表面等离激元，表面等离激元与LED发出的光产生共振，从而提高了发光效率，使LED的亮度得到提高。

可选地，银纳米颗粒层和ZnO纳米锥层的总厚度可以为150～300nm。

在完成外延片的制备后，可以进行后续的加工工艺，以完成外延片的后续加工。

图9是本发明实施例提供的另一种发光二极管芯片的结构示意图，如图9所示，该外延片还可以包括电子阻挡层18，电子阻挡层18生长在多量子阱层15和p型GaN层16之间，电子阻挡层18可以阻碍反向漏电流，提高发光效率。

实现时，电子阻挡层18为p型Al_yGa_1-yN层，其中0.1<y<0.5。

进一步地，电子阻挡层18的厚度可以为20～100nm，电子阻挡层18过薄则无法阻挡电子，过厚则会降低透光率，使得LED亮度降低。

具体地，可以去除部分银纳米颗粒层173和ZnO纳米锥层172，以露出部分石墨烯层171，并去除部分多量子阱层15、电子阻挡层18和p型GaN层16，以露出部分n型GaN层14；

在露出的部分石墨烯层171上制备p电极19，在露出的部分n型GaN层14上制备n电极20。

需要说明的是，图8和图9所示的外延片的结构仅为示意，图中所示的各结构的尺寸及比例关系并不用以限制本发明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。