专利名称：基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法
技术领域：
本发明属于光电子技术，具体为LED制造与封装领域。
背景技术：
在许多光电子器件当中，透明导电层作为表面电流扩展起到了非常重要的作用，是某些光电子器件中非常重要的部分，不可缺少。这种材料要求有很高的透光率以及良好的导电性能。氧化铟锡(ITO)作为透明导电层在光电器件中有着非常广泛的应用，但是In作为一种稀土元素，储量非常有限。而且随着ITO大规模的使用，其价格也越来越高。造成最终器件的成本不断升高，而且随着开采In的储量下降严重，寻找一种替代材料来取代ITO已经成为了一个非常迫切的问题。ITO由于其材料本身性质，不适于弯折，对于柔性衬底并不是十分适用。其耐酸碱能力有限，很多常见的酸性物质都能对其进行腐蚀。随着石墨烯这种材料被发现，其优异的导电性和透光性迅速引起人们的注意，成为ITO这一传统透明导电层材料的替代材料之一。石墨烯作为透明导电层拥有以下有优点:高透光，单层石墨烯的透光率可达97.7% ;高电子迁移率，随着生长技术的发展，电阻率会降的很低，而目前的水平已经能达到商用的水平；高化学稳定性，耐酸碱；大规模生产成本低；可以任意弯折，适合柔性衬底。但是石墨烯直接应用在某些光电子器件上有很多问题，其中最亟待解决的就是接触电阻过大，与光电子器件表面材料不能形成良好的欧姆接触，造成器件工作电压过大。比如GaN基LED，文献中报道小功率器件工作电压接近6V，但是正常的小功率GaN基LED工作电压在3V左右。人们已经采取了很多方法去改善这一问题，但是在降低工作电压的同时，却影响了透明导电层的穿透率，比如Ni/Au作为插入层在单层石墨烯与GaN蓝光LED之间，其整体够光率只有78%左右，而单层石墨烯的透光率最高可达97.7%，可见此插入层方案对透光率影响非常严重。又如，有人在P-GaN表面制作纳米ITO柱，可以很好的降低石墨烯和p-GaN接触电阻,但是对石墨烯薄膜的透光率影响依然很大，纳米结构的透光率只有90%左右，而且此种方案使用ITO量和常规ITO透明导电层没有差别，工艺复杂，难以控制，可重复性不高。本方案提出一种新的石墨烯应用方法，可以很好的改善石墨烯与某些半导体材料(比如P-GaN)的接触问题，形成良好的接触，降低接触电阻，降低器件的工作电压，并且几乎不影响石墨烯的透光率，解决了目前无法兼得高透光率与低接触电阻这一难题。并且本方案相对之前方案，成本低，工艺简单，和目前主流半导体光电子器件工艺兼容。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，可以很好的解决目前存在的这一问题，并且几乎不影响透明导电层整天的透光率。本发明是采用以下技术手段实现的；基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，在石墨烯薄层与器件表面之间插入ITO纳米薄层；包括以下步骤:
1.1.将GaN基LED外延片(208)进行清洗；GaN基LED外延片(208)自上层往下层包括:p_GaN 层(203)，多量子阱层(204)，n_GaN 层(205)，U-GaN 层(206)，蓝宝石层(207)；用丙酮、乙醇煮沸，去离子水冲洗多遍，王水煮沸，去离子水冲洗多遍；1.2.在p-GaN层(203)上制作第一纳米ITO薄层(202)，厚度为7-10nm;1.3 放入炉管退火；1.4.将第二石墨烯薄膜层(201)转移到步骤1.3所述退火后的在p-GaN层(203)上制作的第一纳米ITO薄层(202)上；1.5.在步骤1.4所述的第一纳米ITO薄层(202)上光刻定义出台阶区域，并且利用台阶上的光刻胶作为掩模，去除第二石墨烯薄膜层(201)和第一纳米ITO薄层(202)，然后进行ICP刻蚀，直至刻蚀到n-GaN为止；1.6.光刻定义出透明导电层的图形第二石墨烯薄膜层(201)和第一纳米ITO薄层(202);包括在压焊金属圆台下刻蚀出圆孔，实现电流阻挡，以及增加金属电极与器件的粘附性；1.7.光刻出与步骤1.6中电极图形，制作金属电极；1.8 进行超声剥离；1.9.GaN基LED所需的后段工艺。前述的步骤1.2的厚度包括电子束蒸发和磁控溅射。前述的步骤1.3的退火时间为10-30分钟，温度为400-650度。本发明还可以采用以下技术手段实现:基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，在石墨烯薄层与器件表面之间插入ITO纳米薄层；包括以下步骤:4.1.将外延片(303)制作金属掩模材料离子注入掩模(304)；4.2.进行离子注入，在外延片(303)的有源区上0.5-2.5um形成高阻区域；4.3.去除掩模，并清洗；4.4.在(303上)制作第二纳米ITO薄层(302)，厚度为7-10nm;4.5.进行快速热退火；4.6.将第三石墨烯薄膜层(301)转移到经过退火处理的第二纳米ITO薄层(302)上。4.7.在第三石墨烯薄膜层(301)上光刻出电极图形，制作金属电极；4.8.将金属电极进行超声剥离；4.9.进行850nm或980nm波长VCSEL所需要的后段工艺。前述的步骤4.5的退火时间为1-3分钟，温度为400-650度。本发明与现有技术相比，具有以下明显的优势和有益效果:本发明通过一种简单的方案，来降低石墨烯与半导体材料的接触电阻，并且使整个透明导电层结构保持一个很高的透光率，使整体的透光率和石墨烯薄膜几乎保持一致，只有很小的衰减，几乎可以忽略。如果石墨烯薄膜方阻可以降低到与ITO相当的水平，那此种方法制作出的器件的电学特性将与ITO透明导电层相差无几，但是在透光率上有一定优势，尤其在紫外波段， 此种结构的透明导电层的透光率只有很小的下降。
图1为本方案实施示意图；图2为GaN蓝光LED外延片示意图；图3为GaN蓝光LED外延片上制作完成本发明所揭示的透明电极示意图；图4为拥有本发明透明电极的GaN蓝光LED水平式器件的示意图；图5为850nm波长VCSEL外延片上质子注入掩模示意图；图6为850nm波长VCSEL外延片上制作本发明透明电极的示意图。其中，103为目标外延片，即制作器件所需的外压片。102为纳米ITO过渡层，用电子束蒸发制作。101为第一石墨烯薄膜层，作为电流扩展用。201为第二石墨烯薄膜层，202为第一纳米ITO薄层，203为p-GaN层，204为多量子阱层，205为n_GaN层，206为U-GaN层，207为蓝宝石层，208为GaN基LED外延片层，303为850nm波长VCSEL外延片层，304为质子注入掩模层，301为第三石墨烯薄膜层，302为第二纳米ITO薄层。
具体实施例方式具体实施例1请参阅图1所示，为本方案实施示意图，图中103为目标外延片，即制作器件所需的外压片。102为纳米ITO过渡层，用电子束蒸发制作。101为第一石墨烯薄膜层，作为电流扩展用。请参阅图2、图3所示，以GaN基LED为例。步骤1，将外延片208(包括:203为p_GaN层，204为多量子阱层，205为n_GaN层，206为U-GaN层，207为蓝宝石层，)进行清洗(丙酮、乙醇各煮沸5分钟，去离子水冲洗30遍，王水煮沸5分钟，去离子水冲洗30遍)步骤2、在p-GaN层203上制作第一纳米ITO薄层202，厚度为7-10nm (包括电子束蒸发和磁控溅射)步骤3、将上述制作完成的样品放入炉管退火。退火时间为10-30分钟，温度为400-650 度。步骤4、将第二石墨烯薄膜层201转移到步骤3中所描述的第一纳米ITO薄层上。步骤5、请参阅图4所示，在上述步骤4所描述的样品上光刻定义出台阶区域，并且利用台阶上的光刻胶作为掩模，去除第二石墨烯薄膜层201和第一纳米ITO薄层202，然后进行ICP刻蚀，直至刻蚀到n-GaN为止，如图4。步骤6、在步骤5中所描述的样品上光刻定义出透明导电层的图形(201，202)，包括在压焊金属圆台下刻蚀出圆孔，实现电流阻挡层的效果，以及增加金属电极与器件的粘附性。步骤7、光刻出与步骤6中所描述的透明导电层图形相对应的电极图形，制作金属电极(一般为电子束蒸发或者溅射Ti/Au，Ti/Pt/Au)步骤8、将步骤7中所得样品进行超声剥离。步骤9、GaN基LED所需的后段工艺。具体实施例2以850nm波长大孔径VCSEL为例
步骤1，请参阅图5所示，将外延片303制作金属掩模或者其他材料离子注入掩模304 ；步骤2，进行离子注入，在外延片303的有源区上0.5-2.5um形成高阻区域。步骤3，去除步骤2中描述的掩模，并清洗(丙酮、乙醇各煮沸5分钟，去离子水冲洗30 遍)。步骤4，请参阅图2所示，在303上制作一层纳米ITO层202，厚度为7_10nm(包括电子束蒸发和磁控溅射)步骤5，将步骤4中所得样品进行快速热退火。退火时间为1-3分钟，温度为400-650 度。步骤6，将石墨烯薄膜201转移到步骤5中所得样品的纳米ITO层上。步骤7，光刻出与步骤6中样品未注入区域相对应的电极图形，制作金属电极(一般为电子束蒸发或者溅射Ti/Au，Ti/Pt/Au)步骤8，将步骤7中所得样品进行超声剥离。步骤9，进行850nm或980nm波长VCSEL所需要的后段工艺。
权利要求
1.基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，其特征在于:在石墨烯薄层与器件表面之间插入ITO纳米薄层；包括以下步骤: 1.1.将GaN基LED外延片(208)进行清洗；GaN基LED外延片(208)自上层往下层包括:p_GaN 层(203)，多量子阱层(204)，n_GaN 层(205)，U-GaN 层(206)，蓝宝石层(207)； 用丙酮、乙醇煮沸，去离子水冲洗多遍，王水煮沸，去离子水冲洗多遍；1.2.在p-GaN层(203)上制作第一纳米ITO薄层(202)，厚度为7-10nm ；1.3.放入炉管退火； 1.4.将第二石墨烯薄膜层(201)转移到步骤1.3所述退火后的在p-GaN层(203)上制作的第一纳米ITO薄层(202)上；1.5.在步骤1.4所述的第一纳米ITO薄层(202)上光刻定义出台阶区域，并且利用台阶上的光刻胶作为掩模，去除第二石墨烯薄膜层(201)和第一纳米ITO薄层(202)，然后进行ICP刻蚀，直至刻蚀到n-GaN为止； 1.6.光刻定义出透明导电层的图形第二石墨烯薄膜层(201)和第一纳米ITO薄层(202);包括在压焊金属圆台下刻蚀出圆孔，实现电流阻挡，以及增加金属电极与器件的粘附性；1.7.光刻出与步骤1.6中电极图形，制作金属电极；1.8.进行超声剥离； 1.9.GaN基LED所需的后段工艺。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，其特征在于:所述的步骤1.2的厚度包括电子束蒸发和磁控溅射。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，其特征在于:所述的步骤1.3的退火时间为10-30分钟，温度为400-650度。
4.基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，其特征在于:在石墨烯薄层与器件表面之间插入ITO纳米薄层；包括以下步骤: 4.1.将外延片(303)制作金属掩模材料离子注入掩模304 ； 4.2.进行离子注入，在外延片(303)的有源区上0.5-2.5um形成高阻区域； 4.3.去除掩模，并清洗； 4.4.在(303上)制作第二纳米ITO薄层(302)，厚度为7-lOnm ； 4.5.进行快速热退火； 4.6.将第三石墨烯薄膜层(301)转移到经过退火处理的第二纳米ITO薄层(302)上。
4.7.在第三石墨烯薄膜层(301)上光刻出电极图形，制作金属电极； 4.8.将金属电极进行超声剥离； 4.9.进行850nm或980nm波长VCSEL所需要的后段工艺。
5.根据权利要求4所述的基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，其特征在于:所述的步骤4.5的退火时间为1-3分钟，温度为400-650度。
全文摘要
基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，在石墨烯薄层与器件表面之间插入ITO纳米薄层；包括以下步骤将GaN基LED外延片(208)进行清洗；在p-GaN层(203)上制作第一纳米ITO薄层(202)，厚度为7-10nm；退火；将第二石墨烯薄膜层(201)转移到(202)上；在(202)上光刻定义出台阶区域，并且利用台阶上的光刻胶作为掩模，去除(201)和(202)，然后进行ICP刻蚀，直至刻蚀到n-GaN为止；光刻定义出透明导电层的图形(201)和(202)；光刻电极图形，制作金属电极；进行超声剥离；GaN基LED所需的后段工艺。本发明降低了石墨烯与半导体材料的接触电阻，并且使整个透明导电层结构保持一个很高的透光率，使整体的透光率和石墨烯薄膜几乎保持一致。
文档编号H01L33/42GK103078036SQ20131001793
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月17日 优先权日2013年1月17日
发明者徐晨, 许坤, 孙捷, 邓军, 朱彦旭, 毛明明, 解意洋, 郑雷 申请人:北京工业大学