CN103346225A - 垂直型石墨烯led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的垂直型石墨烯LED芯片自下而上依次有背面金属层、衬底、第一键合金属层、第二键合金属层、p型电极、p型氮化镓层、多量子阱层、n型氮化镓层、n型电极，在衬底与背面金属层的界面有石墨烯层，或在衬底与第一键合金属层的界面有石墨烯层，或者在衬底与背面金属层的界面以及衬底与第一键合金属层的界面均有石墨烯层。增加的石墨烯层可以解决目前硅衬底与键合金属层以及背面金属层接触界面导热不良的问题，同时，石墨烯具有高的载流子迁移率，加入的石墨烯层不影响甚至可以提高整个LED器件的发光性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED照明芯片，尤其是与石墨烯结合的垂直型石墨烯LED芯片。
背景技术
在传统能源日益枯竭的今天，一方面，替代能源的发展受到越来越多的重视，另一方面，节能环保成为关注热点。能源消耗中，照明消耗占全部能源消耗的20%以上，因此，降低照明用电是节省电力的重要途径。LED照明器件是一种固体冷光源，具有低能耗、寿命长、易控制、安全环保等特点，是理想的节能环保产品，适用各种照明场所。目前LED发展趋势主要有两个方向，一是提高LED的发光效率，二是降低LED的生产成本。垂直结构LED能够保证在一定的发光效率的前提下，采用较大的电流去驱动，这样一个垂直结构LED芯片可以相当于几个正装结构芯片，折合成本只有正装结构的几分之一。因此，垂直结构LED必然会加速LED应用于普通照明领域的进程，是市场所向，是半导体照明发展的必然趋势，现有的垂直结构LED芯片自下而上依次有背面金属层、衬底、第一键合金属层、第二键合金属层、p型电极、p型氮化镓层、多量子阱层、n型氮化镓层和n型电极。
从LED的结构上讲，可以将GaN基LED划分为正装结构、倒装结构和垂直结构。目前比较成熟的III族氮化物多采用蓝宝石材料作为衬底，由于蓝宝石衬底的绝缘性，所以普通的GaN基LED 采用正装结构。该结构简单，制作工艺相对成熟。然而正装结构LED有两个明显的缺点，首先正装结构LED p、n 电极在LED 的同一侧，电流须横向流过n-GaN 层，导致电流拥挤，局部发热量高，限制了驱动电流；其次，由于蓝宝石衬底的导热性差（35Ｗ/(m∙K)），严重的阻碍了热量的散失。垂直结构可以有效解决正装结构LED的两个问题，垂直结构GaN基LED采用高热导率的衬底（Si、Ge以及Cu等衬底）取代蓝宝石衬底，在很大程度上提高了散热效率；垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，通过图形化的n电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外延层，横向流动的电流极少，可以避免正装结构的电流拥挤问题，提高发光效率，同时也解决了P极的遮光问题，提升LED的发光面积。
垂直结构LED的散热效率还可以进一步提高。LED芯片结构中，垂直堆叠的各层界面往往散热效果较差，限制LED发光效率的进一步提高。自从石墨烯材料在2004年首次被稳定制备出来以后，越来越多的研究发现石墨烯材料具有优异的电学、光学性质，且具有极高的导热系数。石墨烯与LED芯片的结合，将有利于LED芯片散热效率的进一步提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有利于改善散热效率，提高LED器件发光性能的垂直型石墨烯LED芯片。
本发明的垂直型石墨烯LED芯片，自下而上依次有背面金属层、衬底、第一键合金属层、第二键合金属层、p型电极、p型氮化镓层、多量子阱层、n型氮化镓层、n型电极，在衬底与背面金属层的界面有石墨烯层，或在衬底与第一键合金属层的界面有石墨烯层，或者在衬底与背面金属层的界面以及衬底与第一键合金属层的界面均有石墨烯层。
本发明中，所述的衬底可以是硅或锗。
本发明中，所述的第一键合金属层和第二键合金属层均可以是金、银、铜、铝、钛、镍或它们的复合金属。
本发明中，所述的p型电极可以是铂、镍、钯、镁、金、银或它们的复合金属。
本发明中，所述的n型电极可以是钛、铝、金或者它们的复合金属。
本发明中，所述的石墨烯层可以为单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
1、增加的石墨烯层可以解决目前衬底与第一键合金属层，以及衬底与背面金属层接触界面导热不良的问题，提高LED芯片散热效率；
2、石墨烯具有高的载流子迁移率，加入的石墨烯层不影响甚至可以提高整个LED器件的发光性能。
附图说明：
图1为垂直型石墨烯LED芯片示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步说明本发明。
参照图1，本发明的垂直型石墨烯LED芯片，自下而上依次有背面金属层1、衬底2）第一键合金属层3、第二键合金属层4、p型电极5、p型氮化镓层6、多量子阱层7、n型氮化镓层8、n型电极9，在衬底2与背面金属层1的界面有石墨烯层10，或在衬底2与第一键合金属层3的界面有石墨烯层10，或者在衬底2与背面金属层1的界面以及衬底2与第一键合金属层3的界面均有石墨烯层10。
实施例1：
1）蓝宝石为生长衬底，表面清洗后，采用MOCVD方法生长GaN缓冲层，厚度100纳米；
2）采用MOCVD方法在缓冲层上生长n型GaN层，厚度5微米；
3）采用MOCVD方法在n型GaN层上生长多量子阱层，厚度80纳米；
4）采用MOCVD方法在多量子阱层上生长p型GaN层，厚度500纳米；
5）在p型GaN层上蒸镀p型电极，电极材料为银；
6）在p型电极上蒸镀第二键合金属层，金属材料为金；
7）在硅衬底上蒸镀背面金属层，金属层材料为金；
8）在硅衬底另一面采用PMMA方法（参见文献Li,
X.S., et al., Large-Area Synthesis of High-Quality and Uniform Graphene Films on Copper Foils. Science, 2009. 324(5932):
p. 1312-1314）转移单层石墨烯；
9）在单层石墨烯层上蒸镀第一键合金属层，金属材料为金；
10）将第二键合金属层与第一键合金属层键合；
11）采用激光工艺剥离蓝宝石衬底，腐蚀去除GaN缓冲层；
12）在n型GaN层上蒸镀n型层电极，电极材料为钛；
13）垂直型石墨烯LED芯片制作完成。
实施例2：
1）蓝宝石为生长衬底，表面清洗后，采用MOCVD方法生长GaN缓冲层，厚度200纳米；
2）采用MOCVD方法在缓冲层上生长n型GaN层，厚度2微米；
3） 采用MOCVD方法在n型GaN层上生长多量子阱层，厚度120纳米；
4）采用MOCVD方法在多量子阱层上生长p型GaN层，厚度200纳米；
5） 在p型GaN层蒸镀p型电极，电极材料为金与铂的复合金属；
6）在p型电极上蒸镀第二键合金属层，金属材料为铜；
7） 硅衬底上蒸镀背面金属层，金属层材料为金；
8）在硅衬底另一面采用PMMA方法转移双层石墨烯；
9） 在双层石墨烯层上蒸镀第一键合金属层，金属材料为铜；
10）将第二键合金属层与第一键合金属层键合；
11）采用激光工艺剥离蓝宝石衬底，腐蚀去除GaN缓冲层；
12）在n型GaN层上蒸镀n型层电极，电极材料为铝与钛的复合金属；
13）垂直型石墨烯LED芯片制作完成。
实施例3：
1）蓝宝石为生长衬底，表面清洗后，采用MOCVD方法生长GaN缓冲层，厚度400纳米；
2）采用MOCVD方法在缓冲层上生长n型GaN层，厚度8微米；
3）采用MOCVD方法在n型GaN层上生长多量子阱层，厚度50纳米；
4）采用MOCVD方法在多量子阱层上生长p型GaN层，厚度800纳米；
5）在p型GaN层上蒸镀p型电极，电极材料为银与镍的复合金属；
6）在p型电极上蒸镀第二键合金属层，金属材料为铝和铜的复合金属；
7） 在锗衬底一面采用PMMA方法转移多层石墨烯；
8） 在多层石墨烯层上蒸镀背面金属层，金属层材料为银；
9） 在锗衬底另一面蒸镀第一键合金属层，金属材料为钛；
10）将第二键合金属层与第一键合金属层键合；
11）采用激光工艺剥离蓝宝石衬底，腐蚀去除GaN缓冲层；
12）在n型GaN层上蒸镀n型层电极，电极材料为金与钛的复合金属；
13）垂直型石墨烯LED芯片制作完成。
实施例4
1）蓝宝石为生长衬底，表面清洗后，采用MOCVD方法生长GaN缓冲层，厚度150纳米；
2）采用MOCVD方法在缓冲层上生长n型GaN层，厚度6微米；
3）采用MOCVD方法在n型GaN层上生长多量子阱层，厚度30纳米；
4） 采用MOCVD方法在多量子阱层上生长p型GaN层，厚度400纳米；
5）在p型GaN层上蒸镀p型电极，电极材料为钯与镁的复合金属；
6） 在p型电极上蒸镀第二键合金属层，金属材料为金和铜的复合金属；
7）在锗衬底一面采用多层石墨烯微片溶液法旋涂石墨烯并烘干得到多层石墨烯层；
8） 在多层石墨烯层上蒸镀背面金属层，金属层材料为银；
9）在锗衬底另一面采用PMMA方法转移单层石墨烯；
10）在单层石墨烯上蒸镀第一键合金属层，金属材料为金和钛的复合金属；
11）将第二键合金属层与第一键合金属层键合；
12）采用激光工艺剥离蓝宝石衬底，腐蚀去除GaN缓冲层；
13）在n型GaN层上蒸镀n型层电极，电极材料为金与钛的复合金属；
垂直型石墨烯LED芯片制作完成。
Claims (6)
1.垂直型石墨烯LED芯片，自下而上依次有背面金属层（1）、衬底（2）、第一键合金属层（3）、第二键合金属层（4）、p型电极（5）、p型氮化镓层（6）、多量子阱层（7）、n型氮化镓层（8）、n型电极（9），其特征是在衬底（2）与背面金属层（1）的界面有石墨烯层（10），或在衬底（2）与第一键合金属层（3）的界面有石墨烯层（10），或者在衬底（2）与背面金属层（1）的界面以及衬底（2）与第一键合金属层（3）的界面均有石墨烯层（10）。
2.根据权利要求1所述的垂直型石墨烯LED芯片，其特征在于所述的衬底（2）是硅或锗。
3.根据权利要求1所述的垂直型石墨烯LED芯片，其特征在于所述的第一键合金属层（3）和第二键合金属层（4）均是金、银、铜、铝、钛、镍或它们的复合金属。
4.根据权利要求1所述的垂直型石墨烯LED芯片，其特征在于所述的p型电极（4）是铂、镍、钯、镁、金、银或它们的复合金属。
5.根据权利要求1所述的垂直型石墨烯LED芯片，其特征在于所述的n型电极（8）是钛、铝、金或者它们的复合金属。
6.根据权利要求1所述的垂直型石墨烯LED芯片，其特征在于所述的石墨烯层（10）为单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯。
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