CN103258926A - 一种led垂直芯片结构及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及公开了一种LED垂直芯片结构及制作方法，所述LED垂直芯片结构自下到上依次设有衬底、石墨烯层、ZnO纳米墙/GaN、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN。相比传统蓝宝石衬底LED芯片，发光面积大，散热能力强，不存在电流拥堵效应。同时，由于此LED垂直芯片为直接外延生长，相较于剥离-键合工艺制备的垂直结构LED，省去了剥离和键合工艺，使得工艺简化、成品率高。

Description

一种LED垂直芯片结构及制作方法

技术领域

本发明属于LED芯片领域，具体涉及一种LED垂直芯片结构及制作方法。

背景技术

LED是利用注入有源区载流子的自发辐射复合而发光，LED具有安全可靠、节能环保、寿命长、响应快、体积小、色域丰富等优点，因此LED在固体照明、显示屏、交通信号灯等领域获得了广泛的应用。现有的LED芯片制作，主要是采用MOCVD法，在蓝宝石或碳化硅衬底上外延生长，随着LED功率的不断增大，散热问题变的越来越突出，传统的LED由于蓝宝石不导电，所以电极只能做在同侧，这就使得出现了电流拥堵效应，降低了LED的寿命，并且由于蓝宝石衬底导热性能差，使得LED结温升高、性能下降、寿命降低，通过剥离-键合工艺，将蓝宝石外延芯片键合在导热良好的基板，如碳化硅、铜钨合金、硅等，然后剥离掉蓝宝石衬底，提高了LED的散热性能，较好解决了电流拥堵的问题，相比于传统LED，由于采用上下电极，使得发光面积更大，但是这种工艺比较复杂，成品率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服传统LED芯片制作工艺复杂、成品率低等缺陷的LED垂直芯片结构及制作方法。

为达到上述目的，本发明所述LED垂直芯片结构，所述LED垂直芯片结构自下到上依次设有衬底、石墨烯层、ZnO纳米墙/GaN、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN。

所述衬底为Si、SiC、CuW及Mo中的一种。

所述衬底的厚度为20～500μm。

所述石墨烯层的厚度为1～10层的石墨烯。

所述ZnO纳米墙/GaN层厚度为2～5μm。

相应的，本发明还提供了一种LED垂直芯片结构的制作方法，包括以下步骤：

1)在硅衬底上，扩散炉氧化生成厚度为300nm的SiO₂，然后用电子束蒸发的方法在SiO₂层上面镀厚度为300nm的Ni，即可得到镀Ni的硅衬底；

2)将镀Ni的硅衬底放入通氩气的石英炉中，加热至1000℃，并往石英炉内通入反应气体，然后以10℃s^-1的速率冷却至室温，所述反应气体为CH₄∶H₂∶Ar＝50∶65∶200sccm，所述Ni的硅衬底上即可制备出石墨烯；

3)将PDMS贴至石墨烯上，用FeCl₃腐蚀Ni，腐蚀完成后，带有石墨烯的PDMS片则会漂浮在液面上，将带有石墨烯的PDMS片用水清洗后粘贴在衬底上，使所述石墨烯粘贴在所述衬底上；

4)用氧分压为100mTorr及电流为50mA的氧气等离子体处理石墨烯，使石墨烯表面变得粗糙，然后用纯度大于99.9999％的DEZn和纯度大于99.9999％的氧气作为Zn源和氧源，以纯度大于99.9999％的氩气作为载气，在气压为6Torr、温度为600℃的条件下向外延生长ZnO纳米墙；或以三甲基镓和纯度大于99.9999％的NH3作为反应气体，用N₂作为周围气体，在生长压力为200Torr、温度为600℃的条件下低温生长GaN，然后在将温度升高至1080～1100℃，以H₂作为载气，在100Torr的压强条件下向外延生长出厚度2～5μm的无掺杂GaN；

5)根据MOCVD法依次向所述ZnO纳米墙/GaN的外延生长n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN，即可得到所述LED垂直芯片结构。

本发明具有以下有益效果：

本发明相比目前广泛使用的蓝宝石衬底(35W/m·K)、Si(157W/m·K)、SiC(490W/m·K)、CuW(198W/m·K)、Mo(138W/m·K)具有较高的导热系数，再加上附着的石墨烯，复合基板的导热系数更大，此衬底结构使得功率LED工作产生的热量能很好的散掉，并且本发明相比传统蓝宝石结构LED，具有垂直结构LED的优点，比如：电流分布均匀，发光面积更大等，同时本发明相比剥离-键合制作的LED，工艺简单，成品率高。

附图说明

图1是本发明LED垂直芯片结构图；

图2为所述石墨烯转移的示意图。

其中：1-用CVD法在Ni上生长石墨烯；2-石墨烯表面旋涂PDMS；3-腐蚀Ni；使Ni与石墨烯分离；4-将分离后的石墨烯粘贴在CuW上；5-去除PDMS。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述LED垂直芯片结构自下到上依次设有衬底、石墨烯层、ZnO纳米墙/GaN、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN，所述衬底为Si、SiC、CuW及Mo中的一种，所述衬底的厚度为20～500μm，所述石墨烯层的厚度为1～10层石墨烯，所述ZnO纳米墙/GaN层厚度为2～5μm。

相应的，参考图2，本发明所述的LED垂直芯片制作方法，括以下步骤：

1)在硅衬底上，扩散炉氧化生成厚度为300nm的SiO₂，然后用电子束蒸发的方法在SiO₂层上面镀厚度为300nm的Ni，即可得到镀Ni的硅衬底；

2)将镀Ni的硅衬底放入通氩气的石英炉中，加热至1000℃，并往石英炉内通入反应气体，然后以10℃s^-1的速率冷却至室温，所述反应气体为CH₄∶H₂∶Ar＝50∶65∶200sccm，所述Ni的样品上即可得到石墨烯；

3)将PDMS贴至石墨烯上，用FeCl₃腐蚀Ni，腐蚀完成后，带有石墨烯的PDMS片则会漂浮在液面上，将带有石墨烯的PDMS片用水清洗后粘贴在衬底上，所述Ni的硅衬底上即可制备出石墨烯；

4)用氧分压为100mTorr及电流为50mA的氧气等离子体处理石墨烯，使石墨烯表面变得粗糙，然后用纯度大于99.9999％的DEZn和纯度大于99.9999％的氧气作为Zn源和氧源，以纯度大于99.9999％的氩气作为载气，在气压为6Torr、温度为600℃的条件下向外延生长ZnO纳米墙；或以三甲基镓和纯度大于99.9999％的NH3作为反应气体，用N₂作为周围气体，在生长压力为200Torr、温度为600℃的条件下低温生长GaN，然后在将温度升高至1080～1100℃，以H₂作为载气，在100Torr的压强条件下向外延生长出厚度2～5μm的无掺杂GaN；

5)根据MOCVD法依次向所述ZnO纳米墙/GaN的外延生长n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN，即可得到所述LED垂直芯片结构。

其中，步骤5及步骤6向石墨烯上依次生长ZnO纳米墙/GaN、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN均可以通过现有技术实施。

Claims (6)

1.一种LED垂直芯片结构，其特征在于，所述LED垂直芯片结构自下到上依次设有衬底、石墨烯层、ZnO纳米墙/GaN、n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN。

2.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构，其特征在于，所述衬底为Si、SiC、CuW及Mo中的一种。

3.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构，其特征在于，所述衬底的厚度为20～500μm。

4.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为1～10层的石墨烯。

5.根据权利要求1所述的LED垂直芯片结构，其特征在于，所述ZnO纳米墙/GaN层厚度为2～5μm。

6.一种基于权利要求1所述的LED垂直芯片结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在硅衬底上，扩散炉氧化生成厚度为300nm的SiO₂，然后用电子束蒸发的方法在SiO₂层上面镀厚度为300nm的Ni，即可得到镀Ni的硅衬底；

2)将镀Ni的硅衬底放入通氩气的石英炉中，加热至1000℃，并往石英炉内通入反应气体，然后以10℃s^-1的速率冷却至室温，所述反应气体为CH₄∶H₂∶Ar＝50∶65∶200sccm，所述Ni的硅衬底上即可制备出石墨烯；

3)将PDMS贴至石墨烯上，用FeCl₃腐蚀Ni，腐蚀完成后，带有石墨烯的PDMS片则会漂浮在液面上，将带有石墨烯的PDMS片用水清洗后粘贴在衬底上，使所述石墨烯粘贴在所述衬底上；

4)用氧分压为100mTorr及电流为50mA的氧气等离子体处理石墨烯，使石墨烯表面变得粗糙，然后用纯度大于99.9999％的DEZn和纯度大于99.9999％的氧气作为Zn源和氧源，以纯度大于99.9999％的氩气作为载气，在气压为6Torr、温度为600℃的条件下向外延生长ZnO纳米墙；或以三甲基镓和纯度大于99.9999％的NH3作为反应气体，用N₂作为周围气体，在生长压力为200Torr、温度为600℃的条件下低温生长GaN，然后在将温度升高至1080～1100℃，以H₂作为载气，在100Torr的压强条件下向外延生长出厚度2～5μm的无掺杂GaN；

5)根据MOCVD法依次向所述ZnO纳米墙/GaN的外延生长n-GaN层、InGaN/GaN多量子阱及p-GaN，即可得到所述LED垂直芯片结构。

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