一种发光二极管的芯片及其制作方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种发光二极管的芯片及其制作方法。

背景技术：

随着半导体技术的发展，发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)的发光效率不断提高，广泛应用于各种彩色显示屏、装饰灯、指示灯、白光照明灯，但LED的发光效率还没有达到理想的目标。

LED的发光效率由内量子效率和光提取效率两方面决定，现有氮化镓基LED的内量子效率已经很高，所以想要进一步提高氮化镓基LED的发光效率，主要是提高LED的光提取效率。目前采用沉淀法在LED的电流扩展层上制作一层氧化锌种子层，再采用水热法在氧化锌种子层上生长氧化锌纳米棒阵列，氧化锌纳米棒阵列的结构可以增加出光面的粗糙度，减少全反射，从而提高光提取效率。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

沉淀法制作的氧化锌种子层无法有效粘附在LED上，导致氧化锌种子层上生长的氧化锌纳米棒阵列容易从LED上脱落，无法有效提高LED的光提取效率。

技术实现要素：

为了解决现有技术中增加氧化锌种子层及氧化锌纳米棒无法有效提高LED的光提取效率问题，本发明实施例提供了一种发光二极管的芯片及其制作方法。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芯片，所述芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的未掺杂氮化铝缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型氮化镓层和石墨烯薄膜层，所述多量子阱层包括多个铟镓氮子层和多个氮化镓子层，所述多个铟镓氮子层和多个氮化镓子层交替层叠设置，所述石墨烯薄膜层、所述P型氮化镓层、所述P型电子阻挡层、所述多量子阱层中设有从所述石墨烯薄膜层延伸至所述N型氮化镓层的凹槽；所述芯片还包括N型电极和P型电极，所述N型电极设置在所述凹槽内的N型氮化镓层上，所述P型电极设置在所述石墨烯薄膜层上，所述芯片还包括多个二氧化钛纳米棒和多个银纳米颗粒，所述多个二氧化钛纳米棒以阵列方式布置在所述石墨烯薄膜层上，每个所述二氧化钛纳米棒的外壁均设置有多个所述银纳米颗粒。

可选地，所述石墨烯薄膜层的厚度为10～150nm。

可选地，所述二氧化钛纳米棒为圆柱体，所述圆柱体的直径为20～80nm。

可选地，所述二氧化钛纳米棒的长度为300～500nm。

另一方面，本发明实施例提供了一种发光二极管的芯片的制作方法，所述制作方法包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次生长未掺杂氮化铝缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型氮化镓层，所述多量子阱层包括多个铟镓氮子层和多个氮化镓子层，所述多个铟镓氮子层和多个氮化镓子层交替层叠设置；

在所述P型氮化镓层上形成石墨烯薄膜层；

在所述石墨烯薄膜层、所述P型氮化镓层、所述P型电子阻挡层、所述多量子阱层中开设从所述石墨烯薄膜层延伸至所述N型氮化镓层的凹槽；

在所述凹槽内的N型氮化镓层上设置N型电极，在所述石墨烯薄膜层上设置P型电极；

在所述凹槽内、以及所述N型电极和所述P型电极上形成光刻胶；

在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上生长多个二氧化钛纳米棒，所述多个二氧化钛纳米棒以阵列方式布置在所述石墨烯薄膜层上；

在每个所述二氧化钛纳米棒的外壁设置多个银纳米颗粒；

去除所述光刻胶和所述光刻胶上的二氧化钛纳米棒。

可选地，所述在所述P型氮化镓层上形成石墨烯薄膜层，包括：

采用化学气相沉积技术在镍金属基板上制备石墨烯薄膜；

在所述石墨烯薄膜上涂覆第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料；

采用金属腐蚀液溶解所述镍金属基板；

移动所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述石墨烯薄膜转移至所述P型GaN层上；

在所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料上涂覆第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述石墨烯薄膜紧密贴合在所述P型GaN层上；

加热所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料紧密粘合；

将所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料浸在丙酮溶液中加热去除。

优选地，所述加热所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料的温度为105℃。

优选地，所述加热所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料的时间为1～9分钟。

可选地，所述在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上生长多个二氧化钛纳米棒，包括：

将所述衬底放置在盛放有钛酸四丁酯和盐酸的混合溶液的水热反应釜中，钛酸四丁酯和盐酸发生反应，在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上生长多个二氧化钛纳米棒；

在所述多个二氧化钛纳米棒生长完成之后，将所述混合溶液的温度恢复至所述水热反应釜所在的环境温度；

从所述水热反应釜中取出所述衬底，采用去离子水进行冲洗，并采用氮气吹干。

优选地，所述混合溶液中钛的浓度为0.02～0.2mol/L，所述混合溶液的pH值为6～8，反应的温度为100～200℃，反应的时间为1～10小时。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过将多个二氧化钛纳米棒以阵列方式布置在石墨烯薄膜层上，石墨烯具有极高的载流子浓度和载流子迁移率，出色的透光性，光透过率高达97％，一方面可以有效的实现电流的横向扩展，有效利用发光区域，另一方面对光的出射基本上没有影响，综合提高了LED的发光效率。而且二氧化钛绿色无毒、催化活性高、化学稳定性好、成本低廉，阵列布置的二氧化钛纳米棒与ZnO纳米棒一样，可以增加出光面的粗糙度，减少全反射，增加出光，同时二氧化钛纳米棒的形成可以直接在石墨烯薄膜层上生长，二氧化钛纳米棒牢牢粘附在石墨烯薄膜层上，可以确保有效提高LED的光提取效率，最终提高了LED的发光效率。另外，二氧化钛纳米棒上分布有银纳米颗粒，当LED内部产生的光从二氧化钛纳米棒和银纳米颗粒的分界面射出时，银纳米颗粒内的自由电子发生集体振荡，自由电子和光波耦合形成表面等离激元，光子和电子在频率一致时产生共振，光波得到增强，进一步提高了LED的发光效率。

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是本发明实施例一提供的一种发光二极管的芯片的结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种发光二极管的芯片的制作方法的流程示意图；

图3a-图3i是本发明实施例二提供的芯片制作过程中的结构示意图。

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。

实施例一

本发明实施例提供了一种发光二极管的芯片，参见图1，该芯片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的未掺杂氮化铝缓冲层2、未掺杂氮化镓层3、N型氮化镓层4、多量子阱层5、P型电子阻挡层6、P型氮化镓层7、氧化铟锡(英文：Indium Tin Oxide，简称：ITO)电流扩展层8。多量子阱层包括多个铟镓氮子层和多个氮化镓子层，多个铟镓氮子层和氮化镓子层交替层叠设置。石墨烯薄膜层、P型氮化镓层、P型电子阻挡层、多量子阱层中设有从石墨烯薄膜层延伸至N型氮化镓层的凹槽。该芯片还包括N型电极9和P型电极10，N型电极9设置在凹槽内的N型氮化镓层4上，P型电极10设置在石墨烯薄膜层8上。

在本实施例中，如图1所示，该芯片还包括多个二氧化钛纳米棒11和多个银纳米颗粒12，多个二氧化钛纳米棒11以阵列方式布置在石墨烯薄膜层8上，每个二氧化钛纳米棒11的外壁均设置有多个银纳米颗粒12。

可选地，二氧化钛纳米棒可以为圆柱体，圆柱体的直径可以为20～80nm。实验证明，当二氧化钛纳米棒为直径20～80nm的圆柱体时，LED的光提取效率较高。若二氧化钛纳米棒为直径小于20nm的圆柱体，或者直径大于80nm的圆柱体，则出光面的粗糙度较低，造成LED的光提取效率提高效果不理想。

可选地，二氧化钛纳米棒的长度可以为300～500nm。实验证明，当二氧化钛纳米棒的长度为300～500nm时，LED的光提取效率较高。若二氧化钛纳米棒的长度小于300nm，则出光面近似为平面，无法提高LED的光提取效率；若二氧化钛纳米棒的长度大于500nm时，会造成材料的浪费，增加生产成本。

可选地，石墨烯薄膜层的厚度可以为10～150nm。如果石墨烯薄膜层的厚度小于10nm，则石墨烯无法形成有效的薄膜层，影响LED的发光效率；如果石墨烯薄膜层的厚度大于150nm，则会造成材料的浪费。

具体地，衬底可以为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者氮化镓衬底。

具体地，P型电子阻挡层可以为P型掺杂的Al_yGa_1-yN(铝氮镓)层，0.1＜y＜0.5。

容易知道，N型电极和P型电极设置在芯片的同一侧。

本发明实施例通过将多个二氧化钛纳米棒以阵列方式布置在石墨烯薄膜层上，石墨烯具有极高的载流子浓度和载流子迁移率，出色的透光性，光透过率高达97％，一方面可以有效的实现电流的横向扩展，有效利用发光区域，另一方面对光的出射基本上没有影响，综合提高了LED的发光效率。而且二氧化钛绿色无毒、催化活性高、化学稳定性好、成本低廉，阵列布置的二氧化钛纳米棒与ZnO纳米棒一样，可以增加出光面的粗糙度，减少全反射，增加出光，同时二氧化钛纳米棒的形成可以直接在石墨烯薄膜层上生长，二氧化钛纳米棒牢牢粘附在石墨烯薄膜层上，可以确保有效提高LED的光提取效率，最终提高了LED的发光效率。另外，二氧化钛纳米棒上分布有银纳米颗粒，当LED内部产生的光从二氧化钛纳米棒和银纳米颗粒的分界面射出时，银纳米颗粒内的自由电子发生集体振荡，自由电子和光波耦合形成表面等离激元，光子和电子在频率一致时产生共振，光波得到增强，进一步提高了LED的发光效率。

实施例二

本发明实施例提供了一种发光二极管的芯片的制作方法，适用于制作实施例一提供的芯片，参见图2，该制作方法包括：

步骤200：提供一衬底。

图3a为步骤200执行之后的芯片结构示意图。其中，1为衬底。

步骤201：在衬底上依次生长未掺杂氮化铝缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型氮化镓层。

具体地，该步骤201可以包括：

采用金属有机化合物化学气相沉积(英文：Metal Organic Chemical Vapour Deposition，简称：MOCVD)技术在衬底上依次外延生长未掺杂氮化铝缓冲层、未掺杂氮化镓层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型电子阻挡层、P型氮化镓层。

图3b为步骤201执行之后的芯片结构示意图。其中，2为未掺杂氮化铝缓冲层，3为未掺杂氮化镓层，4为N型氮化镓层，5为多量子阱层，6为P型电子阻挡层，7为P型氮化镓层。

在本实施例中，多量子阱层包括多个铟镓氮子层和多个氮化镓子层，多个铟镓氮子层和氮化镓子层交替层叠设置。

具体地，衬底可以为蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者氮化镓衬底。

具体地，P型电子阻挡层可以为P型掺杂的Al_yGa_1-yN层，0.1＜y＜0.5。

步骤202：在P型氮化镓层上形成石墨烯薄膜层。

图3c为步骤202执行之后的芯片结构示意图。其中，8为石墨烯薄膜层。

可选地，石墨烯薄膜层的厚度可以为10～150nm。如果石墨烯薄膜层的厚度小于10nm，则石墨烯无法形成有效的薄膜层，影响LED的发光效率；如果石墨烯薄膜层的厚度大于150nm，则会造成材料的浪费。

具体地，该步骤202可以包括：

采用化学气相沉积技术(英文：Chemical Vapor Deposition，简称：CVD)在镍金属基板上制备石墨烯薄膜；

在石墨烯薄膜上涂覆第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料；

采用金属腐蚀液溶解镍金属基板；

移动第一层聚甲基丙烯酸甲酯(英文：PolymethylMethacrylate，简称：PMMA)材料，将石墨烯薄膜转移至P型GaN层上；

在第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料上涂覆第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将石墨烯薄膜紧密贴合在P型GaN层上；

加热第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料紧密粘合；

将第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料浸在丙酮溶液中加热去除。

可选地，加热第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料的温度可以为105℃，使第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料紧密粘合。

可选地，加热第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料的时间可以为1～9分钟。如果加热的时间小于1分钟，则无法使第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料紧密粘合；如果加热的时间大于9分钟，则会造成资源的浪费。

在具体实现中，在去除第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料之后，会对芯片进行反复清洗，并在室温下晾干。

步骤203：在石墨烯薄膜层、P型氮化镓层、P型电子阻挡层、多量子阱层中开设从石墨烯薄膜层延伸至N型氮化镓层的凹槽。

图3d为步骤203执行之后的芯片结构示意图。其中，20为凹槽。

具体地，该步骤203可以包括：

在石墨烯薄膜层上涂覆一层光刻胶；

在掩膜版的遮挡下对光刻胶进行曝光；

对光刻胶进行显影，去除部分光刻胶；

在剩余光刻胶的保护下，采用电感耦合等离子体(英文：Inductive Coupled Plasma，简称：ICP)刻蚀技术在石墨烯薄膜层、P型氮化镓层、P型电子阻挡层、多量子阱层中开设从石墨烯薄膜层延伸至N型氮化镓层的凹槽；

去除光刻胶。

步骤204：在凹槽内的N型氮化镓层上设置N型电极，在石墨烯薄膜层上设置P型电极。

图3e为步骤204执行之后的芯片结构示意图。其中，9为N型电极，10为P型电极。

步骤205：在凹槽内、以及N型电极和P型电极上形成光刻胶。

图3f为步骤205执行之后的芯片结构示意图。其中，100为光刻胶。

具体地，该步骤205可以包括：

在石墨烯薄膜层上、凹槽内、以及N型电极和P型电极上形成光刻胶；

在掩膜版的遮挡下对光刻胶进行曝光；

对光刻胶进行显影，去除石墨烯薄膜层上的光刻胶，剩下凹槽内、以及N型电极和P型电极上的光刻胶。

需要说明的是，本实施例通过设置光刻胶，以在纳米棒的制作过程中保护电极，避免芯片的电学性能受到影响。

步骤206：在石墨烯薄膜层和光刻胶上生长多个二氧化钛纳米棒，多个二氧化钛纳米棒以阵列方式布置在石墨烯薄膜层上。

图3g为步骤206执行之后的芯片结构示意图。其中，11为二氧化钛纳米棒。

具体地，该步骤206可以包括：

将衬底放置在盛放有钛酸四丁酯和盐酸的混合溶液的水热反应釜中，钛酸四丁酯和盐酸发生反应，在石墨烯薄膜层和光刻胶上生长多个二氧化钛纳米棒；

在多个二氧化钛纳米棒生长完成之后，将混合溶液的温度恢复至水热反应釜所在的环境温度；

从水热反应釜中取出衬底，采用去离子水进行冲洗，并采用氮气吹干。

需要说明的是，由于二氧化钛的横向生长距离有限，无法形成一整个平面，因此石墨烯薄膜层和光刻胶上会直接形成阵列形式的二氧化钛纳米棒。

可选地，混合溶液中钛的浓度可以为0.02～0.2mol/L，混合溶液的pH值可以为6～8。

优选地，反应的温度可以为100～200℃，温度较低，不会影响LED的结构和电学性能；反应的时间可以为1～10小时。

需要说明的是，通过改变混合溶液中钛的浓度、混合溶液的pH值、反应的温度、反应的时间，可以调节二氧化钛纳米棒的直径、二氧化钛纳米棒的长度、二氧化钛纳米棒的生长方向、二氧化钛纳米棒的密度、二氧化钛纳米棒的表面粗糙度，从而使二氧化钛纳米棒的阵列表面积达到最大，光提取效率达到最高，即最大程度提高发光效率。

具体地，二氧化钛纳米棒择优取向生长。其中，择优取向是指晶体的晶粒在不同程度上围绕某些特定的取向排列，如沿二氧化钛纳米棒的[101]晶向生长、或者沿二氧化钛纳米棒的[001]晶向生长，以使二氧化钛纳米棒的密度和表面粗糙度可达到最优。

可选地，二氧化钛纳米棒可以为圆柱体，圆柱体的直径可以为20～80nm。实验证明，当二氧化钛纳米棒为直径20～80nm的圆柱体时，LED的光提取效率较高。若二氧化钛纳米棒为直径小于20nm的圆柱体，或者直径大于80nm的圆柱体，则出光面的粗糙度较低，造成LED的光提取效率提高效果不理想。

可选地，二氧化钛纳米棒的长度可以为300～500nm。实验证明，当二氧化钛纳米棒的长度为300～500nm时，LED的光提取效率较高。若二氧化钛纳米棒的长度小于300nm，则出光面近似为平面，无法提高LED的光提取效率；若二氧化钛纳米棒的长度大于500nm时，会造成材料的浪费，增加生产成本。

步骤207：在每个二氧化钛纳米棒的外壁设置多个银纳米颗粒。

具体地，该步骤207可以包括：

采用磁控溅射技术在每个二氧化钛纳米棒的外壁设置多个银纳米颗粒。

图3h为步骤207执行之后的芯片结构示意图。其中，12为银纳米颗粒。

步骤208：去除光刻胶和光刻胶上的二氧化钛纳米棒。

具体地，该步骤208可以包括：

采用去胶液去除光刻胶，从而使得光刻胶上的二氧化钛纳米棒也被去除。

图3i为步骤208执行之后的芯片结构示意图。

可选地，该制作方法还可以包括：

采用去离子水进行冲洗，并采用氮气吹干。

需要说明的是，在步骤208之后，该方法还可以包括：

将得到的芯片沿各层的层叠方向进行裂片，得到多个结构相同的子芯片。

本发明实施例通过将多个二氧化钛纳米棒以阵列方式布置在石墨烯薄膜层上，石墨烯具有极高的载流子浓度和载流子迁移率，出色的透光性，光透过率高达97％，一方面可以有效的实现电流的横向扩展，有效利用发光区域，另一方面对光的出射基本上没有影响，综合提高了LED的发光效率。而且二氧化钛绿色无毒、催化活性高、化学稳定性好、成本低廉，阵列布置的二氧化钛纳米棒与ZnO纳米棒一样，可以增加出光面的粗糙度，减少全反射，增加出光，同时二氧化钛纳米棒的形成可以直接在石墨烯薄膜层上生长，二氧化钛纳米棒牢牢粘附在石墨烯薄膜层上，可以确保有效提高LED的光提取效率，最终提高了LED的发光效率。另外，二氧化钛纳米棒上分布有银纳米颗粒，当LED内部产生的光从二氧化钛纳米棒和银纳米颗粒的分界面射出时，银纳米颗粒内的自由电子发生集体振荡，自由电子和光波耦合形成表面等离激元，光子和电子在频率一致时产生共振，光波得到增强，进一步提高了LED的发光效率。

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。