CN105957939A - 基于柔性石墨烯电极的垂直结构led加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用柔性石墨烯电极加工垂直结构LED芯片方法以及用该方法获得的芯片，平坦化基底石墨烯粘附层聚合物表面；将高电导率的石墨烯平铺在粘附聚合物表面上；通过图形化制作出石墨烯底电极；制作镓氮基LED的电荷注入层及发光层，并注入层表面生长修饰分子层；以光刻胶为掩膜，芯片层分割成独立的LED芯片；键合步骤；将LED芯片分离，涂胶钝化芯片侧壁，修饰分子层；将石墨烯铺展在柔性聚合物表面，形成与底电极十字交叉的顶电极；再进行键合；底电极和顶电极金属化，剥离芯片钝化保护层，形成电极压线孔，划片，检测LED芯片。该制备方法完全与现有半导体工艺兼容，可以大幅降低LED芯片成本，提高LED芯片性能，为新一代LED芯片的生产及广泛应用奠定基础。
Description
技术领域
本发明涉及半导体固态照明、材料生长及微纳加工工艺领域，尤其涉及利用柔性石墨烯电极的制作垂直结构LED芯片的加工方法。
背景技术
LED固态光源消耗能量较同光效的白炽灯减少约80%，成为最重要的节能环保产品之一，已在全球被广泛推广及应用。目前，LED发展趋势主要有两个方向：一是提高LED芯片的电光转换效率；二是降低LED芯片的成本。垂直结构LED芯片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，使得一个垂直结构的LED芯片发光亮度相当于好几个正装结构芯片。另外，垂直结构芯片对用MOCVD制作的发光外延层利用效率大大提高，使得垂直结构芯片的成本相对正装结构大大降低。
在传统的垂直结构LED芯片中，基于导电及导热考虑，一般用金、铜、银等金属作为电极。芯片成本较高，并且这些金属薄膜都是不透光，还会降低芯片的出光效率。也有考虑采用氧化锌、ITO等透明导电材料，但是由于导热性差、成本高、工艺复杂、对芯片出光效率提高不明显等原因，均没有被广泛使用。石墨烯材料表现出优异的导电性及导热性，并且它在可见光波段是透明的。利用石墨烯制作垂直结构LED芯片的电极，有可能进一步提高LED芯片的电光转换效率。
在目前被普遍采用的正装结构LED芯片中，正负电荷注入电极在芯片同一侧，电流需要横向流过n-GaN层，导致电流拥挤，局部发热量大，限制了可使用的最大驱动电流。正装结构LED芯片中蓝宝石衬底的导热性较差，热导率为35 W/m×K，由于驱动方式引起的局部过热使得芯片发光不稳定，使用寿命减小。传统垂直结构芯片使用金属薄膜作为电极，会对发射光吸收、散射、漫反射等，减低了出光效率，并且芯片成本较高。本发明利用高导电高透光的石墨烯薄膜作为垂直结构LED芯片的上下电极，并且石墨烯薄膜的热导率约5000 W/m×K，同时作为优良的芯片散热层。本发明的目的在于提供一种利用柔性石墨烯电极制作垂直结构LED芯片的加工方法，用于新一代高效低成本LED芯片。
发明内容
为达到上述目的，本发明提供一种基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，该方法包括：
步骤1：在基底上制作一层石墨烯粘附层聚合物，并平坦化基底表面；
步骤2：利用化学气相沉积或溶液化学法制备透明的高电导率的石墨烯，将其薄层平铺在粘附聚合物表面上；
步骤3：通过图形化，除去部分石墨烯，制作出石墨烯底电极，并预留出顶电极位置；
步骤4：在蓝宝石衬底上制作镓氮基LED的电荷注入层及发光层，并在顶层的电荷注入层表面生长修饰分子层，利于化学键合石墨烯；
步骤5：以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀将镓氮层刻蚀到宝石衬底，芯片层分割成独立的LED芯片；
步骤6：将步骤3制作的图案化石墨烯电极与步骤6制作的独立LED芯片的顶层电荷注入层进行键合；
步骤7：采用激光剥离技术，将LED芯片从宝石衬底上分离下来，涂胶钝化芯片侧壁，在新暴露的电荷注入层表面修饰分子层，使其易于化学键合石墨烯；
步骤8：将透明高电导率的石墨烯铺展在柔性聚合物表面，图案化，形成与底电极十字交叉的顶电极；
步骤9：将步骤8制作的图案化柔性石墨烯顶电极与步骤7制作的表面修饰过的电荷注入层进行键合，去除支撑石墨烯电极的柔性聚合物；
步骤10：底电极和顶电极金属化，剥离芯片钝化保护层，形成电极压线孔，划片，检测LED芯片；
上述方案中，所述基底可以是任何材质，包括导体、半导体、绝缘体。
上述方案中，所述石墨烯粘附层聚合物是由任意亲和石墨烯的聚合物或混合物构成，如，PDMS、SU8、PMMA、各种光刻胶等。其中所述的平坦化制作方法包括旋涂、喷涂、自流平等等。
上述方案中，所述石墨烯可以是采用各种途径制备的，其形成薄膜后的电导率在102至103 S×cm-1之间。石墨烯薄膜的透光率在60%至100%之间。
上述方案中，所述图形化是采用半导体工艺进行光刻和干法刻蚀。
上述方案中，表面修饰或改性的方法包括各种物理、化学、生物途径。所获得的表面修饰层易于与石墨烯化学键合。
上述方案中，利用常规的半导体工艺，经过光刻和干法刻蚀，将发光芯片分离成个体。
上述方案中，首先需要光学对准，然后将2个基片压在一起，在一定温度（室温至180 °C）下完成键合。
上述方案中，用光刻胶钝化芯片侧壁，表面修饰新暴露的电荷注入层，使其易于化学键合石墨烯，并定义出基底上石墨烯键和区。
上述方案中，步骤8特征与步骤1、2、3相同。
上述方案中，步骤9特征与步骤6相同。
上述方案中，先用剥离技术将底电极和顶电极的焊线盘做好，然后整面钝化保护，再将焊线盘上开口。
有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1. 利用本发明，垂直结构LED避免了驱动电流集中引发的局部过热问题，增加了芯片稳定性及寿命。可以使用较大的驱动电流，使LED芯片在高电光转换效率下工作，更节能。相同面积的MOCVD外延材料可以制作更多的芯片，降低单个芯片的成本。蓝宝石衬底材料可重复使用，更节能环保。
2. 利用本发明，将石墨烯薄膜制作成垂直结构LED芯片的上下电极，利用石墨烯薄膜的柔性、高电导率、高透明，工艺简约可靠。与采用金属电极相比，获得更高的出光效率，更好的导热性，更低的成本。
附图说明
图1-图10是一种基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图10所示，本发明提供一种基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，包括如下步骤：
步骤1：在衬底100上制作石墨烯粘附层聚合物101，并平坦化基底表面；所述衬底100是可以是任何材质，包括导体、半导体、绝缘体；所述石墨烯粘附层聚合物101是由任意亲和石墨烯的聚合物或混合物构成，如，PDMS、SU8、PMMA、各种光刻胶等；其中所述的平坦化制作方法包括旋涂、喷涂、自流平等等（如图1所示）。
步骤2：利用化学气相沉积或溶液化学法制备透明的高电导率的石墨烯，将其薄层平铺在粘附聚合物表面上，形成102；所述石墨烯可以是采用各种途径制备的，其形成薄膜后的电导率在10-3至103 S×cm-1之间；石墨烯薄膜的透光率在60%至100%之间（如图2所示）。
步骤3：通过图形化，除去部分石墨烯，制作出石墨烯底电极，并预留出顶电极位置；所述图形化是采用半导体工艺进行光刻和干法刻蚀（如图3所示）。
步骤4：在蓝宝石衬底103上制作镓氮基LED的电荷注入层105、107及发光层106，它们都生长在氮化镓缓冲层104之上；在顶层的电荷注入层107表面生长修饰分子层108，利于化学键合石墨烯；所述的表面修饰或改性的方法包括各种物理、化学、生物途径。所获得的表面修饰层易于与石墨烯化学键合（如图4所示）。
步骤5：以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀将镓氮层刻蚀到宝石衬底，芯片层分割成独立的LED芯片；涉及利用常规的半导体工艺，经过光刻和干法刻蚀，将发光芯片分离成个体（如图5所示）。
步骤6：将步骤3制作的图案化石墨烯电极102面与步骤6制作的独立LED芯片的顶层电荷注入层108进行键合；涉及到，首先需要光学对准，然后将2个基片压在一起，在一定温度（室温至180 °C）下完成键合（如图6所示）。
步骤7：采用激光剥离技术，将LED芯片从宝石衬底上分离下来，涂胶109钝化芯片侧壁，在新暴露的电荷注入层105表面修饰分子层108，使其易于化学键合石墨烯；涉及用光刻胶钝化芯片侧壁，表面修饰新暴露的电荷注入层，使其易于化学键合石墨烯，并定义出基底上石墨烯键和区（如图7所示）。
步骤8：将透明高电导率的石墨烯层102铺展在柔性聚合物101表面，图案化，形成与底电极十字交叉的顶电极（如图8所示）
步骤9：将步骤8制作的图案化柔性石墨烯顶电极102与步骤7制作的表面修饰（面108）过的电荷注入层105进行键合，去除支撑石墨烯电极的柔性聚合物101（如图9所示）
步骤10：底电极和顶电极金属化110，剥离芯片钝化保护层111，形成电极压线孔，划片，检测LED芯片；涉及先用剥离技术将底电极和顶电极的焊线盘做好，然后整面钝化保护，再将焊线盘上开口（如图10所示）
实施例：
1. 采用厚度为0.5 mm的玻璃片作为衬底100，旋涂PDMS做石墨烯粘附层101，形成表面平坦的基底；
2. 采用化学气相沉积法制备透明的高电导率的石墨烯，将其薄层平铺在粘附聚合物101表面上，形成102，石墨烯薄膜的电导率大约10 S×cm-1，石墨烯薄膜的透光率为80%；
3. 通过光刻，以光刻胶为掩膜，用氧气等离子体刻蚀除去部分石墨烯，形成出石墨烯底电极，并预留出顶电极位置；
4. 以蓝宝石为衬底103，在MOCVD中生长不掺杂的氮化镓缓冲层104，再生长镓氮基LED的电荷注入层105、107及发光层106；用氧等离子体处理顶层的电荷注入层107，在其表面形成大量活性羟基，再旋涂修饰分子3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），生成表面修饰层108，用于化学键合石墨烯；
5. 通过光刻，以光刻胶为掩膜，采用氯基气体的干法刻蚀，将镓氮层刻蚀到宝石衬底，芯片层分割成独立的LED芯片个体；
6. 通过光学对准，将步骤3制作的图案化石墨烯电极102面与步骤6制作的独立LED芯片的顶层电荷注入层108压在一起，在150 °C，2小时下完成键合；
7. 采用激光剥离技术，将LED芯片从宝石衬底上分离下来，涂SU8胶，再用氧气等离子体回刻，形成钝化芯片侧壁的保护胶109；用与步骤4相同的方法，在新暴露的电荷注入层105表面修饰分子层108，使其易于化学键合石墨烯；
8. 采用与步骤1相同的方法，将透明高电导率的石墨烯层102铺展在柔性聚合物101表面，图案化，形成与底电极十字交叉的顶电极；
9. 将步骤8制作的图案化柔性石墨烯顶电极102与步骤7制作的表面修饰（面108）过的电荷注入层105进行键合，去除支撑石墨烯电极的柔性聚合物101；
10. 采用光刻玻璃金属，制作出底电极和顶电极110；再利用光刻剥离，制作芯片钝化保护层111，同时形成电极压线孔；划片，检测LED芯片。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，包括如下步骤：
步骤1：提供一种基底，并在基底上制作一层粘附层聚合物，并平坦化基底表面；
步骤2：利用化学气相沉积或溶液化学法制备透明的高电导率的石墨烯，将其薄层平铺在粘附聚合物表面上；
步骤3：通过图形化，除去部分石墨烯，制作出石墨烯底电极，并预留出顶电极位置；
步骤4：在蓝宝石衬底上制作镓氮基LED的电荷注入层及发光层，并在顶层的电荷注入层表面生长修饰分子层；
步骤5：以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀将镓氮层刻蚀到宝石衬底，芯片层分割成独立的LED芯片；
上述步骤1-3制作图案化石墨烯电极的过程，与步骤4-5制作的独立LED芯片的过程可以同时或先后进行，然后，
步骤6：将步骤3制作的图案化石墨烯电极与步骤5制作的独立LED芯片的顶层电荷注入层进行键合；
步骤7：采用激光剥离技术，将LED芯片从宝石衬底上分离下来，涂胶钝化芯片侧壁，在新暴露的电荷注入层表面修饰分子层，使其易于化学键合石墨烯；
步骤8：将透明高电导率的石墨烯铺展在柔性聚合物表面，图案化，形成与底电极十字交叉的顶电极；
步骤9：将步骤8制作的图案化柔性石墨烯顶电极与步骤7制作的表面修饰过的电荷注入层进行键合，去除支撑石墨烯电极的柔性聚合物；
步骤10：底电极和顶电极金属化，剥离芯片钝化保护层，形成电极压线孔，划片，检测LED芯片；
根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤1特征在于，其中所述基底可以是导体、半导体或绝缘体。
2.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤1特征在于，其中所述石墨烯粘附层聚合物是由任意亲和石墨烯的聚合物或混合物构成，如，PDMS、SU8、PMMA、各种光刻胶等，其中所述的平坦化制作方法包括旋涂、喷涂、自流平等等。
3.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤2特征在于，其中所述石墨烯可以是采用各种途径制备的，其形成薄膜后的电导率在102至103 S×cm-1之间。
4.石墨烯薄膜的透光率在60%至100%之间。
5.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤3特征在于，其中所述图形化是采用半导体工艺进行光刻和干法刻蚀。
6.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤5特征在于，利用常规的半导体工艺，经过光刻和干法刻蚀，将发光芯片分离成个体。
7.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤6特征在于，首先需要光学对准，然后将2个基片压在一起，在室温至180 °C下完成键合。
8.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤7特征在于，用光刻胶钝化芯片侧壁，表面修饰新暴露的电荷注入层，使其易于化学键合石墨烯，并定义出基底上石墨烯键合区。
9.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤8特征与步骤1、2、3相同。
10.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤9特征与步骤6相同。
11.根据权利要求1所述的基于柔性石墨烯电极的垂直结构LED加工方法，步骤10特征在于，先用剥离技术将底电极和顶电极的焊线盘做好，然后整面钝化保护，再将焊线盘上开口。
12.一种由权利要求1-11任一方法制得的柔性石墨烯电极的垂直结构LED。
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