CN105576099B - 基于3d打印制备led器件电极的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电子器件领域，具体为一种基于3D打印制备LED器件电极的方法。本发明将MOCVD或MBE生长的至少具有缓冲层、N型层、多周期的量子阱有源层及P型层的外延片作为基底材料，采用3D打印在P型层台面上打印ITO导电层、然后刻蚀出N型层的台面、再打印N型电极及P型电极层。基于3D打印形成LED器件电极结构，不仅能够减少电极制备过程中的光刻及刻蚀工艺步骤，缩短生产周期，降低光刻及刻蚀过程可能对外延片造成的污染和损伤几率，还能够降低电极形成过程中高温退火过程对量子阱有源区界面结构的破坏，从而提高LED器件的发光效率。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件领域，具体为一种基于3D打印制备LED器件电极的方法。
背景技术
发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。
LED器件芯片大都是采用金属有机物气相沉积法或分子束外延法在蓝宝石衬底上先生长外延片，然后沉积氧化铟锡（ITO）透明导电层，刻蚀出N型层台面，形成N型电极，最后形成P型电极。其中，外延片结构主要包括缓冲层、N型层、多周期的量子阱有源层和P型层。ITO透明导电膜要有良好的导电特性、透明性和可靠度。常见的P型电极材料为金属Ni/Au，N型电极材料为金属Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Pt/Au。为了形成良好的欧姆接触，要对电极材料进行退火处理使其形成合金，即在高温下，外延片表面蒸镀的金属层产生合金化或固相再生，从而形成欧姆接触。接触电阻大会增加器件工作电压，影响流明效率，还会升高LED结温，影响器件的内量子效率和稳定性，缩短使用寿命。目前ITO和电极制备的主要方法包括真空蒸发，电子束蒸发和磁控溅射法。这些方法对制备条件的要求都较高。不只如此，电极形成工艺不仅复杂，需要更换多套掩膜板，多次光刻，多次湿法和干法刻蚀过程，如图1所示，还容易对外延片造成离子损伤及光刻胶污染。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷，提供一种基于3D打印制备LED器件电极的方法，且该方法简单，生产周期短。
本发明是采用如下的技术方案实现的：基于3D打印制备LED器件电极的方法，包括以下步骤：
步骤一：编写3D ITO打印头、3D N型电极打印头、3D P型电极打印头的运动路径程序，以满足结构设计需求为准；
步骤二：将具有LED有源结构的外延片清洁好后作为基板放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D ITO打印头在基板P型层上打印ITO薄膜；
步骤三：采用单个或阵列式3D ITO打印头在ITO薄膜上打印图形化的ITO薄膜，以实现ITO薄膜的粗糙化；
步骤四：在上述基板ITO薄膜上涂覆光刻胶，并利用光刻机进行曝光，显影，并以光刻胶为掩膜干法刻蚀出N型层台面，最后清洗掉残留的光刻胶；
步骤五：在已经刻蚀出N型层台面的基片上，利用单个或阵列式3DP型电极打印头在ITO薄膜上打印P型电极材料；
步骤六：在已经打印好P型电极材料的基片上，利用单个或阵列式3DN型电极打印头在N型层台面上打印N型电极材料，得到LED器件电极。
上述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，所述步骤二和步骤三中，3D ITO打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，墨水从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其迅速溶化后固化成型，最后将没有固化的多余粉末去除，得到ITO薄膜。
上述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，所述步骤二中，ITO薄膜厚度为500nm~3500nm。
上述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，所述步骤六中，将金属镍粉末加入到3DP型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔，控制温度在1453℃使其处于半固化状态，从3DP型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3DP型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔，控制温度在1062℃使其处于半固化状态，从3DP型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，P型电极材料是Ni/Au，厚度为50nm~500nm。
上述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，所述步骤七中，将金属钛粉末加入到3DN型电极打印头的金属钛熔融腔中进行速熔，控制温度在1675℃使其处于半固化状态，从3DN型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属钛膜；将金属铝粉末加入到3DN型电极打印头的金属铝熔融腔中进行速熔，控制温度在660℃使其处于半固化状态，从3DN型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属铝膜；将金属镍粉末加入到3DN型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔，控制温度在1453℃使其处于半固化状态，从3DN型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3DN型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔，控制温度在1062℃使其处于半固化状态，从3DN型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au，厚度为200nm~2000nm。
上述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，为防止金属氧化，将3DP型电极打印头喷嘴和基板置于惰性气体氛围中。为了形成良好的欧姆接触，在Ni/Au薄膜打印完成后在氮气氛围中采用波长为1064nm的激光辐照进行金属的快速退火处理。
上述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，为防止金属氧化，将3DN型电极打印头喷嘴和基板置于惰性气体氛围中。为了形成良好的欧姆接触，在Ti/Al/Ni/Au薄膜打印完成后在氮气氛围中采用波长为1064nm的激光辐照进行金属的快速退火处理。
3D打印技术可以将计算机设计的三维模型数据分为层片模型数据，将特定原材料一层一层堆积成型直至完成整个实体的构建，具有工艺步骤简单、成型速度快、精密度高的特点，不仅能够减少光刻和刻蚀步骤，也能够直接形成粗糙化的ITO，提高器件的出光效率，因此可以作为制备ITO和电极的理想工艺技术。
本发明基于3D 打印形成LED器件电极结构，不仅能够减少电极制备过程中的光刻及刻蚀工艺步骤，缩短生产周期，降低光刻及刻蚀过程可能对外延片造成的污染和损伤几率，还能够降低电极形成过程中高温退火过程对量子阱有源区界面结构的破坏，从而提高LED器件的发光效率。
附图说明
图1为传统LED器件电极的制作流程图。
图2为基于3D 打印制作LED器件电极的流程图。
图3为正装LED器件结构示意图。
图中：1-P型电极，2- N型电极，3-N型层台面，4-衬底，5-ITO薄膜，6-P型层，7-N型层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步说明。
图1为传统LED器件电极的制作流程图，如图所示，在外延片上形成电极，需要经过刻蚀ITO薄膜、刻蚀n型层电极窗口与p型层电极窗口等多步光刻与蚀刻工艺。
图2为基于3D 打印制作LED器件电极的流程图，如图所示，在外延片上形成电极，只需要经过一次刻蚀过程即刻蚀外延片至露出n型层台面，这大大简化了LED器件电极的工艺流程，缩短了生产周期。还能够降低光刻和刻蚀过程对外延片造成光刻胶污染及离子损伤的几率，具体包括以下步骤：
步骤一：编写3D ITO打印头、3D N型电极打印头、3D P型电极打印头的运动路径程序，以满足结构设计需求为准；
步骤二：将具有LED有源结构的外延片清洁好后作为基板放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D ITO打印头在基板上打印ITO薄膜，3D ITO打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，墨水从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其迅速溶化后固化成型，最后将没有固化的多余粉末去除，得到ITO薄膜，该薄膜是氧化铟锡透明导电薄膜，在打印时通过对3DITO打印头的移动进行控制，使ITO薄膜的位置及宽度与下层的P型层相对应，满足只在P型层上打印ITO薄膜，厚度为500nm~3500nm；
步骤三：采用单个或阵列式3D ITO打印头在ITO薄膜上打印锯齿形、锥形，梯形等图形化的ITO薄膜，以实现ITO薄膜的粗糙化；
步骤四：在上述基板ITO薄膜上涂覆光刻胶，并利用光刻机进行曝光，显影，并以光刻胶为掩膜干法刻蚀出N型层台面，最后清洗掉残留的光刻胶；
步骤五：在已经刻蚀出N型层台面的基片上，利用单个或阵列式3DP型电极打印头在ITO薄膜上打印P型电极材料，将金属镍粉末加入到3DP型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔，控制温度在1453℃使其处于半固化状态，从3DP型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3DP型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔，控制温度在1062℃使其处于半固化状态，从3DP型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，P型电极材料是Ni/Au，厚度为50nm~500nm，为防止金属氧化，将3DP型电极打印头喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ni/Au薄膜打印完成后在氮气氛围中采用波长为1064nm的激光辐照进行金属的快速退火处理；
步骤六：在已经打印好P型电极材料的基片上，利用单个或阵列式3DN型电极打印头在N型层台面上打印N型电极材料，将金属钛粉末加入到3DN型电极打印头的金属钛熔融腔中进行速熔，控制温度在1675℃使其处于半固化状态，从3DN型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属钛膜；将金属铝粉末加入到3DN型电极打印头的金属铝熔融腔中进行速熔，控制温度在660℃使其处于半固化状态， 从3DN型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属铝膜；将金属镍粉末加入到3DN型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔，控制温度在1453℃使其处于半固化状态，从3DN型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3DN型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔，控制温度在1062℃使其处于半固化状态，从3DN型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au，厚度为200nm~2000nm，为防止金属氧化，将3DN型电极打印头喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ti/Al/Ni/Au薄膜打印完成后在氮气氛围中采用波长为1064nm的激光辐照进行金属的快速退火处理，最后得到LED器件电极。
图3为正装LED器件结构示意图，如图说示，在n型层台面上形成N型电极，N型电极面积小于n型层台面的面积。在P型层上形成ITO薄膜和P型电极，P型电极面积约为ITO层面积的三分之一。
Claims (7)
1.基于3D打印制备LED器件电极的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：编写3D ITO打印头、3D N型电极打印头、3D P型电极打印头的运动路径程序，以满足结构设计需求为准；
步骤二：将具有LED有源结构的外延片清洁好后作为基板放入3D打印机中，利用单个或阵列式3D ITO打印头在基板上打印ITO薄膜；
步骤三：采用单个或阵列式3D ITO打印头在ITO薄膜上打印图形化的ITO薄膜，以实现ITO薄膜的粗糙化；
步骤四：在上述基板ITO薄膜上涂覆光刻胶，并利用光刻机进行曝光，显影，并以光刻胶为掩膜干法刻蚀出N型层台面，最后清洗掉残留的光刻胶；
步骤五：在已经刻蚀出N型层台面的基片上，利用单个或阵列式3D P型电极打印头在ITO薄膜上打印P型电极材料；
步骤六：在已经打印好P型电极材料的基片上，利用单个或阵列式3D N型电极打印头在N型层台面上打印N型电极材料，得到LED器件电极。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，其特征在于所述步骤二和步骤三中，3D ITO打印头采用氧化铟锡粉末作为墨水，墨水从氧化铟锡粉腔中流出后，用波长大于1064nm的激光照射氧化铟锡粉末，使其迅速溶化后固化成型，最后将没有固化的多余粉末去除，得到ITO薄膜。
3.根据权利要求1或2所述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，其特征在于所述步骤二中，ITO薄膜厚度为500nm~3500nm。
4.根据权利要求1或2所述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，其特征在于所述步骤六中，将金属镍粉末加入到3D P型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔，控制温度在1453℃使其处于半固化状态，从3D P型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3D P型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔，控制温度在1062℃使其处于半固化状态，从3D P型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，P型电极材料是Ni/Au，厚度为50nm~500nm。
5.根据权利要求1或2所述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，其特征在于所述步骤六中，将金属钛粉末加入到3D N型电极打印头的金属钛熔融腔中进行速熔，控制温度在1675℃使其处于半固化状态，从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属钛膜；将金属铝粉末加入到3D N型电极打印头的金属铝熔融腔中进行速熔，控制温度在660℃使其处于半固化状态， 从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属铝膜；将金属镍粉末加入到3D N型电极打印头的金属镍熔融腔中进行速熔， 控制温度在1453℃使其处于半固化状态，从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属镍膜；将金属金粉末加入到3D N型电极打印头的金属金熔融腔中进行速熔，控制温度在1062℃使其处于半固化状态，从3D N型电极打印头挤出后迅速固化，形成金属金膜，N型电极材料是Ti/Al/Ni/Au，厚度为200nm~2000nm。
6.根据权利要求4所述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，其特征在于为防止金属氧化，将3D P型电极打印头喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ni/Au薄膜打印完成后在氮气氛围中采用波长为1064nm的激光辐照进行金属的快速退火处理。
7.根据权利要求5所述的基于3D打印制备LED器件电极的方法，其特征在于为防止金属氧化，将3D N型电极打印头喷嘴和基板置于惰性气体氛围中，为了形成良好的欧姆接触，在Ti/Al/Ni/Au薄膜打印完成后在氮气氛围中采用波长为1064nm的激光辐照进行金属的快速退火处理。
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