一种新型复合透明电极的led芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型复合透明电极的LED芯片，包括依次设置在衬底上的氮化镓缓冲层、N-GaN层、量子阱层、P-GaN层、复合透明电极层和SiO2保护层，以及对应的n型电极和p型电极，其特征在于：所述的复合透明电极层由石墨烯层状薄膜和ZnO透明导电薄膜复合而成，也介绍了该芯片的制作方法。ZnO材料与P-GaN层的非欧姆接触特性，使得ZnO在LED电极中的应用受到很大限制。石墨烯材料在可见光频谱范围内具有高达97%的可见光透过率、以及优异的导电性能及机械性能，当其用于P型电极接触层时又可以与P-GaN间形成良好接触，在石墨烯上生长一层ZnO，又可以提高石墨烯的电流扩展特性，二者复合后形成LED的复合透明电极层，接触性能和透射率都可以得到大幅提高。
【专利说明】—种新型复合透明电极的LED芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及LED芯片的【技术领域】，特别是一种新型复合透明电极的LED芯片及其制作方法。
【背景技术】
[0002]ZnO作为一种新型的宽禁带半导体材料，具有与GaN相同的结构及相似的光电性能，甚至在激子发射性能等方面超越了 GaN，使其成为高效率LED和紫外波长LED的绝佳候选者。ZnO透明导电薄膜在可见光频谱内具有很高的透射率，其电导率接近金属薄膜，和ITO薄膜非常接近，经过掺杂或复合的ZnO透明导电薄膜，具有可与ITO薄膜相比拟的电学和光学特性。除此之外，与ITO相比，ZnO具有无毒无污染、原料丰富、成本低的优势，经过掺杂的ZnO透明导电薄膜，具有可与ITO薄膜相比拟的电学和光学特性，在压电器件、太阳能电池、发光二级管等光电领域越来越受到重视、研究的范围也越趋活跃。而In作为一种稀缺资源、价格昂贵，而且芯片工艺较为复杂，所以ZnO导电薄膜有望取代ITO导电薄膜而占据未来的LED市场。
[0003]但目前最大的难点就是ZnO的P型掺杂难以实现，所以其作为透明导电层与P-GaN层的欧姆接触特性不佳，使其广泛应用受到一定限制。石墨烯自从被成功制备以来，就受到了广大研究者的青睐。石墨烯具有石墨般完美的几何结构与烯一样的特性和应用。石墨烯具有较高的迁移率，由于其内部的散射机制主要以缺陷散射为主，所以在一定温度范围内迁移率为一个定值，理论值为200000 Cm2V4S'不仅如此，石墨烯具有很高的透过率(高达97%)，而且其电子迁移率高于ITO的三倍以上，完美的机械特性和优良的电学特性，使其开始在导电层上得到广泛的研究和应用。但由于石墨烯厚度很薄，所以其薄层电阻较高，单独用于导电薄膜则面临电阻高、芯片正向电压高的问题。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本实用新型提供一种新型的复合透明导电层，能有效解决ZnO单独作为透明导电薄膜的欧姆接触问题，并避免了石墨烯单独作为透明导电薄膜时阻值高及电流扩展的问题，并提供了具有该复合透明导电层的LED芯片的制作方法，能够简单方便地制作出一种新型复合透明导电层的LED芯片，提高透明导电层与P-GaN层的欧姆接触特性、并降低其电阻，并提高其出光效率。
[0005]本实用新型的技术方案为:一种新型复合透明电极的LED芯片，包括依次生长在衬底上的氮化镓缓冲层、N-GaN层、量子阱层、P-GaN层和复合透明电极层，其特征在于:所述的N-GaN层上制作有η型电极，复合透明电极层上制作有P型电极，所述η型电极、ρ型电极外侧的芯片表面沉积有S12保护层，所述的复合透明电极层由石墨烯层状薄膜和生长在石墨烯层状薄膜上的ZnO透明导电薄膜复合而成。
[0006]所述的S12保护层包覆在η型电极、P型电极外侧，且S12保护层经蚀刻暴露出η型电极和ρ型电极。
[0007]所述的石墨烯层状薄膜厚度为2?200nm，ZnO透明导电薄膜厚度为100_300nm。
[0008]一种新型复合透明电极的LED芯片的制作方法，包括如下步骤:
[0009]A、采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上依次生长氮化镓缓冲层、N-GaN层、量子阱层和P-GaN 层;
[0010]B、在ρ-GaN层的一侧涂覆一层光刻胶，再进行曝光、显影，另一侧通过ICP法刻蚀到N-GaN的台面；
[0011]C、在P-GaN层上制作有复合透明电极层(TCL)，复合透明电极层由石墨烯层状薄膜和ZnO透明导电薄膜复合而成；
[0012]D、通过光刻工艺，在一侧的复合透明电极层上得到P电极，在一侧的N-GaN层上得到N电极；
[0013]E、使用PECVD在电极上沉积一层S12保护层后，再通过蚀刻使得P电极和N电极露出，完成LED芯片的制作。
[0014]所述步骤C中，复合透明电极层的制作方法包含如下步骤:
[0015]Cl、首先将石墨烯或氧化石墨烯中的一种材料和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料进行均匀混合，把混合材料涂覆在芯片晶圆上，使石墨烯或氧化石墨烯可以在反应炉中紧紧贴合在晶圆上，不被载气或保护气体吹走，并且PMMA还起到对反应产物-石墨烯的机械支撑作用；
[0016]C2、把涂覆有混合材料的芯片晶圆放在中温管式炉中，以H2为载气、N2为保护气体，用化学气相沉积法(CVD)得到石墨烯层状薄膜；
[0017]C3、把上述步骤制得的石墨烯层状薄膜浸于丙酮溶液中，低温(55°C以下)加热，去除掉表面的PMMA，反复清洗后，室温下晾干；
[0018]C4、用USP法(超声喷雾热解法)或MOCVD法在层状薄膜上生长一层ZnO透明导电薄膜。
[0019]所述的步骤Cl中，PMMA是通过超声法实现与石墨烯或氧化石墨烯均匀混合。
[0020]所述的步骤C3中，层状薄膜反复清洗的方法是采用丙酮、异丙醇和去离子水进行反复清洗。
[0021]所述的步骤C4中，ZnO透明导电薄膜的制作方法是以二乙锌为锌源，通入N2作为保护气体和吹扫气体、02作为反应气体，控制生长温度为450-500°C，气体流量控制在为10000-15000sccm，反应腔室压力为10_20torr，内中外三圈的电流保持在均匀恒定的水平，从而得到致密性和透过率较佳的ZnO透明导电薄膜。
[0022]所述的步骤C4中，ZnO透明导电薄膜的制作方法是采用USP法，以乙酸锌作为锌源，乙醇作为溶剂，把反应生成的金属盐溶液在腔室中进行雾化后喷入高温区，控制温度在500-650°C左右，金属盐溶液的浓度优选为0.1-lmol/L，从而在芯片晶圆上得到一层ZnO导电薄膜。
[0023]本实用新型的有益效果为:通过简单的化学气相沉积法得到石墨烯/ZnO的复合透明导电薄膜，通过超声法实现材料的均匀混合，然后把石墨烯和ZnO的复合薄膜自由铺展在P-GaN层上，工艺简单、操作方便，既有效解决了氧化锌薄膜与P-GaN的欧姆接触问题，又能有效避免石墨烯单独作为导电薄膜时的高阻值及电流扩展的问题，且石墨烯与ZnO复合后形成LED的复合透明电极层，接触性能和透射率都可以得到大幅提高。
[0024]
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本实用新型所述的具有新型复合透明电极的LED芯片的结构示意图。
[0026]图中，1-衬底，2-缓冲层，3-N-GaN层，4-量子阱层，5-P-GaN层，6_石墨烯层状薄膜，7-ZnO导电薄膜，8-P电极，9-N电极，1-S12保护层。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明:
[0028]实施例1:如图1所示，一种新型复合透明电极的LED芯片，采用MOCVD法在Al2O3或GaN衬底上(I)依次生长氮化镓缓冲层(2)、N-GaN层(3)、量子阱层(4)、P-GaN层(5)；在P-GaN层上涂覆一层光刻胶，再进行曝光、显影，通过ICP (反应离子蚀刻法)把P-GaN层的一侧刻蚀到N-GaN层(3);首先将氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料进行均匀混合，把其涂覆在衬底晶圆上，使氧化石墨烯可以在反应炉中紧紧贴合在晶圆上，不被载气或保护气体吹走，并且PMMA还起到对反应产物-石墨烯的机械支撑作用；把上述材料放在中温管式炉中，以H2为载气,N2为保护气体，用化学气相沉积法得到石墨烯的层状薄膜(6);把上述步骤制得的层状薄膜(6)浸于丙酮溶液中，45°C低温加热，去除掉表面的PMMA，反复清洗后，室温下晾干；用国内首台ZnO专用的M0CVD，以二乙锌为锌源，通入N2作为保护气体和吹扫气体、O2作为反应气体，控制生长温度为450-500°C，气体流量控制在为13000sccm，反应腔室压力为10-20ton.，内中外三圈的电流保持在均匀恒定的水平，从而得到致密性和透过率较佳的ZnO透明导电薄膜(7);通过光刻工艺、在一侧的复合电极层上制备出P电极
(8)，另一侧的N-GaN层(3)上制备出N电极(9);使用PECVD在电极上沉积一层S12保护层(10 )后，再通过蚀刻使得P电极(8 )和N电极(9 )露出，完成石墨烯和ZnO复合透明电极的LED芯片的制作。
[0029]实施例2:如图1所示，一种新型复合透明电极的LED芯片，采用MOCVD法在Al2O3或GaN衬底上(I)依次生长氮化镓缓冲层(2 )、N-GaN层(3 )、量子阱层(4 )、P-GaN层(5 );在P-GaN层上涂覆一层光刻胶，再进行曝光、显影，通过ICP (反应离子蚀刻法)把P-GaN层的一侧刻蚀到N-GaN层(3);首先将石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料进行均匀混合，把其涂覆在衬底晶圆上，使石墨烯可以在反应炉中紧紧贴合在晶圆上，不被载气或保护气体吹走，并且PMMA还起到对反应产物-石墨烯的机械支撑作用；把上述材料放在中温管式炉中，以H2为载气，N2为保护气体，用化学气相沉积法得到石墨烯的层状薄膜(6);把上述步骤制得的层状薄膜(6)浸于丙酮溶液中，45°C低温加热，去除掉表面的PMMA，反复清洗后，室温下晾干；用国内首台ZnO专用的M0CVD，以二乙锌为锌源，通入N2作为保护气体和吹扫气体、02作为反应气体，控制生长温度为450-500°C，气体流量控制在为13000sccm，反应腔室压力为10-20ton.，内中外三圈的电流保持在均匀恒定的水平，从而得到致密性和透过率较佳的ZnO透明导电薄膜(7);通过光刻工艺、在一侧的复合电极层上制备出P电极(8)，另一侧的N-GaN层(3)上制备出N电极(9);使用PECVD在电极上沉积一层S12保护层(10)后，再通过蚀刻使得P电极(8)和N电极(9)露出，完成石墨烯和ZnO复合透明电极的LED芯片的制作。
[0030]实施例3:如图1所示，一种新型复合透明电极的LED芯片，采用MOCVD法在Al2O3或GaN衬底上(I)依次生长氮化镓缓冲层(2)、N-GaN层(3)、量子阱层(4)、P-GaN层(5)；在P-GaN层上涂覆一层光刻胶，再进行曝光、显影，通过ICP (反应离子蚀刻法)把P-GaN层的一侧刻蚀到N-GaN层(3);首先将氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料进行均匀混合，把其涂覆在衬底晶圆上，使氧化石墨烯可以在反应炉中紧紧贴合在晶圆上，不被载气或保护气体吹走，并且PMMA还起到对反应产物-石墨烯的机械支撑作用；把上述材料放在中温管式炉中，以H2为载气，N2为保护气体，用化学气相沉积法得到石墨烯的层状薄膜
(6);把上述步骤制得的层状薄膜(6)浸于丙酮溶液中，45°C低温加热，去除掉表面的PMMA，反复清洗后，室温下晾干；采用USP法，以乙酸锌作为锌源，乙醇作为溶剂，把反应生成的0.1-lmol/L浓度的金属盐溶液在腔室中进行雾化后喷入高温区，控制温度在500-650°C左右，从而在上述晶圆上得到一层ZnO导电薄膜(7);通过光刻工艺、在一侧的复合电极层上制备出P电极(8)，另一侧的N-GaN层(3)上制备出N电极(9);使用PECVD在电极上沉积一层S12保护层(10)后，再通过蚀刻使得P电极(8)和N电极(9)露出，完成石墨烯和ZnO复合透明电极的LED芯片的制作。
[0031]实施例4:如图1所示，一种新型复合透明电极的LED芯片，采用MOCVD法在Al2O3或GaN衬底上(I)依次生长氮化镓缓冲层(2)、N-GaN层(3)、量子阱层(4)、P-GaN层(5)；在P-GaN层上涂覆一层光刻胶，再进行曝光、显影，通过ICP (反应离子蚀刻法)把P-GaN层的一侧刻蚀到N-GaN层(3);首先将石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料进行均匀混合，把其涂覆在衬底晶圆上，使石墨烯可以在反应炉中紧紧贴合在晶圆上，不被载气或保护气体吹走，并且PMMA还起到对反应产物-石墨烯的机械支撑作用；把上述材料放在中温管式炉中，以H2为载气，N2为保护气体，用化学气相沉积法得到石墨烯的层状薄膜(6);把上述步骤制得的层状薄膜(6)浸于丙酮溶液中，45°C低温加热，去除掉表面的PMMA，反复清洗后，室温下晾干；采用USP法，以乙酸锌作为锌源，乙醇作为溶剂，把反应生成的0.1-lmol/L浓度的金属盐溶液在腔室中进行雾化后喷入高温区，控制温度在500-650°C左右，从而在上述晶圆上得到一层ZnO导电薄膜(7);通过光刻工艺、在一侧的复合电极层上制备出P电极
(8)，另一侧的N-GaN层(3)上制备出N电极(9);使用PECVD在电极上沉积一层S12保护层(10 )后，再通过蚀刻使得P电极(8 )和N电极(9 )露出，完成石墨烯和ZnO复合透明电极的LED芯片的制作。
[0032]上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理和最佳实施例，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。
【权利要求】
1.一种新型复合透明电极的LED芯片，包括依次生长在衬底上的氮化镓缓冲层、N-GaN层、量子阱层、P-GaN层和复合透明电极层，其特征在于:所述的N-GaN层上制作有η型电极，复合透明电极层上制作有P型电极，所述η型电极、P型电极外侧的芯片表面沉积有S12保护层，所述的复合透明电极层由石墨烯层状薄膜和生长在石墨烯层状薄膜上的ZnO透明导电薄膜复合而成。
2.根据权利要求1所述的新型复合透明电极的LED芯片，其特征在于:所述的S12保护层包覆在η型电极、P型电极外侧，且S12保护层经蚀刻暴露出η型电极和P型电极。
3.根据权利要求1所述的新型复合透明电极的LED芯片，其特征在于:所述的石墨烯层状薄膜厚度为2?200nm，ZnO透明导电薄膜厚度为100_300nm。
【文档编号】H01L33/42GK204118109SQ201420638231
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】李方芳, 郝锐, 王波, 罗长得, 易翰翔, 刘洋, 许德裕 申请人:广东德力光电有限公司