CN103078036B - 基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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。

附图说明

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。

Claims (3)

1.基于石墨烯薄膜的透明电极的制备方法，其特征在于：在第二石墨烯层(201)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，然后用去离子水冲洗多遍，再用王水煮沸，最后用去离子水冲洗多遍；

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，去除第二石墨烯层(201)和第一纳米ITO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层(201)和第一纳米ITO薄层(202)；包括在第一纳米ITO层和第二石墨烯层(201)上刻蚀出圆孔，实现电流阻挡，以及增加金属电极与器件的粘附性；

1.7.利用光刻技术制作与步骤1.6中所述圆孔位置和形状重合的金属电极；

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的第一纳米ITO薄层(202)的制备方法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。