CN104966771A - 一种石墨烯-氮化硼-氮化镓led芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片，在衬底上自下而上依次有氮化镓层、氮化硼层和石墨烯层，还包括第一电极和第二电极。本发明的LED芯片中石墨烯层及氮化硼层均具有较低的光吸收系数，这有助于LED芯片获得更高的出光效率；且本发明的LED芯片正向通电以及反向通电均可以发光，并具有不同的发光光谱。此外，相比于传统氮化镓LED芯片的制备工艺，本发明的制备方法工艺简单，大大减少了MOCVD在LED芯片工艺制程中的使用比重，有利于降低芯片制造成本。

Description

一种石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种LED芯片及其制作方法，尤其涉及一种石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片及其制作方法，属于发光二极管技术领域。

背景技术

GaN是目前在LED芯片中广泛使用的材料，其禁带宽度大，并且可以通过掺杂进行禁带宽度的连续调节。另外，GaN材料电子漂移饱和速度高，导热性好，因而GaN相关的LED产业得到迅速发展。

LED照明要替代传统的照明方式，大规模的进入人们的日常生活，前提是要在产品的性价比上超过其他光源竞争对手。在现阶段，GaN基研究和发展紧紧围绕两个方向展开：(1)提高LED器件的电光转换效率，尤其是在大电流密度下转换效率；(2)在保持器件高的转换效率下，降低LED器件的生产制造成本。从技术角度来分析，MOCVD外延设备和工艺在整个LED芯片生产中处于核心地位，不论从设备投资还是生产成本来看，都要占到整个LED芯片制造成本的一半以上。因此，减少LED芯片制程中MOCVD的使用率可以大大降低芯片制造成本。

石墨烯是具有单原子层结构的碳材料，是人类目前所知材料中最薄、透光率最高、电子迁移率最高以及导热性能最好的材料。自石墨烯发现依赖，其在光电子器件领域的应用备受期待。单原子层的石墨烯只吸收2.3%的太阳光，将石墨烯应用于LED芯片中就有可能得到更高的出光效率。但石墨烯禁带宽度为零，直接应用于LED芯片中往往得不到理想的发光效率。因此如何利用石墨烯的优异性能获得出光效率高的LED芯片，尚需要大量研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种发光效率高且制作工艺简单的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片及其制作方法。

本发明的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片，是在衬底上自下而上依次有氮化镓层、氮化硼层和石墨烯层，所述的LED芯片还包括第一电极和第二电极，第一电极设置在氮化镓层上，第二电极设置在石墨烯层上。

上述技术方案中，所述的衬底通常为氮化镓片、碳化硅片、蓝宝石或者氧化锌片。

所述的氮化硼层可以为单层或多层的氮化硼，其厚度为0.4nm-500nm。

所述的石墨烯层中石墨烯通常为1-20层。

所述的第一电极为金、银、铜、镍、铬、钛、钯和铝中的一种或者几种的复合电极；所述的第二电极为金、银、铜、镍、铬、钛、钯和铝中的一种或者几种的复合电极。

上述的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

1）在洁净的衬底表面采用MOCVD（金属有机化学气相沉积）或MBE（分子束外延）法沉积氮化镓层；

2）在氮化镓层上转移氮化硼层，并预留生长第一电极的面积；

3）在氮化硼层上转移石墨烯层；

4）在石墨烯层上制作第二电极，并在氮化镓层的预留面积处制作第一电极。

本发明中涉及的氮化硼、石墨烯的转移方法均可参考文献Carbon, 56,2013, 271-278中的方法。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明的LED芯片其采用的石墨烯层及氮化硼层均具有较低的光吸收系数，这有助于LED芯片获得更高的出光效率，且本发明的LED芯片正向通电以及反向通电均可发光，并具有不同的发光光谱。此外相对于传统氮化镓LED的制备方法，本发明的制备方法工艺简单，大大减少了MOCVD在LED芯片工艺制程中的使用比重，有利于降低芯片制造成本。

附图说明

图1为本发明LED芯片的结构示意图；

图2为实施例1制得的LED芯片在石墨烯上加负电压时的电致发光光谱；

图3为实施例1制得的LED芯片在石墨烯上加正电压时的电致发光光谱。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，本发明的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片，在衬底1上自下而上依次有氮化镓层2、氮化硼层3和石墨烯层4，所述的LED芯片还包括第一电极5和第二电极6，第一电极5设置在氮化镓层2上，第二电极6设置在石墨烯层4上。

实施例1：

1）在洁净的碳化硅衬底表面利用MOCVD方法沉积5微米厚的p型Mg掺杂氮化镓层，电阻率控制在10Ω·cm左右；

2）在氮化镓层上转移单层氮化硼，氮化硼层厚度0.4nm，并预留生长第一电极的面积；

3）在上述氮化硼层上转移5层石墨烯；

4）在上述石墨烯层上以及氮化镓层的预留面积处利用电子束蒸发法沉积钯银复合电极。

本例制得的器件的电致发光谱如图2、3所示，在石墨烯加负电压时发光光谱如图2所示，在石墨烯上加正电压时，发光光谱如图3所示。可以看出本例制得的LED芯片正向通电以及反向通电均可以发光，且具有不同的发光光谱。

实施例2：

1）在洁净的蓝宝石衬底表面利用MOCVD方法沉积3微米厚的n型Si掺杂氮化镓层，电阻率控制在0.1Ω·cm左右；

2）在氮化镓层上转移厚度为500nm的多层氮化硼，并预留生长第一电极的面积；

3）在上述氮化硼层上转移单层石墨烯；

4）在上述石墨烯层上以及氮化镓层的预留面积处利用电子束蒸发法沉积金电极。

实施例3：

1）在洁净的氧化锌衬底表面利用MOCVD方法沉积4微米厚的p型Mg掺杂氮化镓层，电阻率控制在1Ω·cm左右；

2）在氮化镓层上转移5层氮化硼，并预留生长第一电极的面积；

3）在上述氮化硼层上转移20层石墨烯；

4）在上述石墨烯层上以及氮化镓层的预留面积处利用热蒸发法沉积铬镍复合电极。

实施例4：

1）在洁净的氧化锌衬底表面利用MBE方法沉积3微米厚的n型Si掺杂氮化镓层，电阻率控制在0.1Ω·cm左右；

2）在氮化镓层上转移3层氮化硼，并预留生长第一电极的面积；

3）在上述氮化硼层上转移6层石墨烯；

4）在上述石墨烯层上以及氮化镓层的预留面积处利用磁控溅射法沉积铝电极。

Claims (6)

1. 一种石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片，其特征在于，在衬底（1）上自下而上依次有氮化镓层（2）、氮化硼层（3）和石墨烯层（4），所述的LED芯片还包括第一电极（5）和第二电极（6），第一电极（5）设置在氮化镓层（2）上，第二电极（6）设置在石墨烯层（4）上。

2. 根据权利要求1所述的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片，其特征在于，所述的衬底（1）为氮化镓、碳化硅、蓝宝石或者氧化锌。

3. 根据权利要求1所述的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片，其特征在于，所述的氮化硼层（3）为单层或多层的氮化硼，其厚度为0.4nm-500nm。

4. 根据权利要求1所述的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片，其特征在于，所述的石墨烯层（4）中石墨烯为1-20层。

5. 根据权利要求1所述的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片，其特征在于，所述的第一电极为金、银、铜、镍、铬、钛、钯和铝中的一种或者几种的复合电极；所述的第二电极为金、银、铜、镍、铬、钛、钯和铝中的一种或者几种的复合电极。

6.一种如权利要求1所述的石墨烯-氮化硼-氮化镓LED芯片的制作方法，其特征在于，包含以下步骤：

1）在洁净的衬底表面采用MOCVD或MBE法沉积氮化镓层；

2）在氮化镓层上转移氮化硼层，并预留生长第一电极的面积； 

3）在氮化硼层上转移石墨烯层；

4）在石墨烯层上制作第二电极，并在氮化镓层的预留面积处制作第一电极。