CN106653973B - 一种led芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片及其制作方法，属于半导体技术领域。所述LED芯片包括衬底、以及依次层叠在衬底上的未掺杂AlN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlyGa1‑yN层、P型GaN层、石墨烯薄膜层，0.1＜y＜0.5，多量子阱层包括交替层叠的InGaN层和GaN层，石墨烯薄膜层上设有延伸至N型GaN层的凹槽，N型电极设置在N型GaN层上，P型电极设置在石墨烯薄膜层上，若干TiO2纳米棒以阵列方式设置在石墨烯薄膜层上。本发明TiO2纳米棒的形成可以直接采用石墨烯薄膜层作为种子层，种子层结合紧密，不容易被破坏，能够明显提高LED的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种LED芯片及其制作方法。
背景技术
随着半导体技术的发展，发光二极管(英文：Light Emitting Diode，简称：LED)的发光效率不断提高，在各种彩色显示屏、装饰灯、指示灯、白光照明灯等方面得到了广泛的应用，但LED的发光效率还没有达到理想的目标。
LED的发光效率由内量子效率和光提取效率两方面决定，现有蓝光GaN基LED的内量子效率已经很高，主要是提高LED的光提取效率。目前采用沉淀法在LED的电流扩展层上制作一层ZnO种子层，再采用水热法生长ZnO纳米棒阵列，以提高LED的发光效率。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
沉淀法制作的ZnO种子结合不紧密，结构容易被破坏，LED发光效率的提高效果较差。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种LED芯片及其制作方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种LED芯片，所述LED芯片包括衬底、以及依次层叠在所述衬底上的未掺杂AlN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlyGa1-yN层、P型GaN层、石墨烯薄膜层，0.1＜y＜0.5，所述多量子阱层包括交替层叠的InGaN层和GaN层，所述石墨烯薄膜层上设有延伸至所述N型GaN层的凹槽，N型电极设置在所述N型GaN层上，P型电极设置在所述石墨烯薄膜层上，所述LED芯片还包括若干TiO2纳米棒，所述若干TiO2纳米棒以阵列方式设置在所述石墨烯薄膜层上。
可选地，所述TiO2纳米棒的直径为20～80nm。
可选地，所述TiO2纳米棒的高度为300～500nm。
可选地，所述TiO2纳米棒沿(101)晶向生长。
另一方面，本发明实施例提供了一种LED芯片的制作方法，所述制作方法包括：
采用金属有机化合物化学气相沉积技术在衬底上依次外延生长未掺杂AlN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlyGa1-yN层、P型GaN层，0.1＜y＜0.5，所述多量子阱层包括交替层叠的InGaN层和GaN层；
在所述P型GaN层上形成石墨烯薄膜层；
采用光刻技术和刻蚀技术在所述石墨烯薄膜层上开设延伸至所述N型GaN层的凹槽；
在所述N型GaN层上设置N型电极，在所述石墨烯薄膜层上设置P型电极；
采用光刻技术在所述凹槽内、以及所述N型电极和所述P型电极上形成光刻胶；
采用水热法在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上生长若干TiO2纳米棒，所述若干TiO2纳米棒以阵列方式设置；
采用去胶液去除所述光刻胶和所述光刻胶上的TiO2纳米棒；
裂片得到若干相互独立的LED芯片。
具体地，所述采用水热法在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上生长若干TiO2纳米棒，包括：
将所述衬底放置在水热反应釜中由钛酸四丁酯和盐酸组成的混合溶液内进行反应，在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上形成所述若干TiO2纳米棒；
反应完成后将所述混合溶液的温度恢复至所述水热反应釜所在环境的温度；
从所述水热反应釜中取出所述衬底，采用去离子水进行冲洗，并采用氮气吹干。
可选地，所述混合溶液中钛的浓度为0.02～0.2mol/L，所述混合溶液的pH值为6～8。
可选地，反应的温度为100～200℃，反应的时间为1～10小时。
具体地，所述在所述P型GaN层上形成石墨烯薄膜层，包括：
采用化学气相沉积技术在镍金属基板上制备石墨烯薄膜；
在所述石墨烯薄膜上涂覆第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料；
采用金属腐蚀液溶解所述镍金属基板；
移动所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述石墨烯薄膜转移至所述P型GaN层上；
在所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料上涂覆第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述石墨烯薄膜紧密贴合在所述P型GaN层上；
加热所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料紧密粘合；
将所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料浸在丙酮溶液中加热去除。
可选地，所述TiO2纳米棒的直径为20～80nm，所述TiO2纳米棒的高度为300～500nm。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过在石墨烯薄膜层上以阵列方式设置若干TiO2纳米棒，TiO2绿色无毒、催化活性高，化学稳定性好、成本低廉，TiO2纳米棒与ZnO纳米棒具有相似的光电性能，利用其独特的几何结构减少光的吸收，同时TiO2纳米棒的形成可以直接采用石墨烯薄膜层作为种子层，种子层结合紧密，不容易被破坏，能够明显提高LED的发光效率。另外，采用石墨烯薄膜层作为电流扩展层，石墨烯是目前最薄的纳米材料，具有极高的载流子浓度和迁移率，出色的光透过性(达到97％)，一方面可以与P型GaN层形成良好的欧姆接触，降低电阻，提高芯片的电流扩展能力，减小功耗，另一方面也不会影响LED的透光性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种LED芯片的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种LED芯片的制作方法的流程示意图。
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实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种LED芯片，参见图1，该LED芯片包括衬底1、以及依次层叠在衬底1上的未掺杂AlN缓冲层2、未掺杂GaN层3、N型GaN层4、多量子阱层5、P型AlyGa1-yN层6、P型GaN层7、石墨烯薄膜层8，0.1＜y＜0.5。多量子阱层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。石墨烯薄膜层8上设有延伸至N型GaN层4的凹槽，N型电极9设置在N型GaN层4上，P型电极10设置在石墨烯薄膜层8上。
在本实施例中，该LED芯片还包括若干TiO2纳米棒11，若干TiO2纳米棒11以阵列方式设置在石墨烯薄膜层8上。
可选地，TiO2纳米棒的直径可以为20～80nm。
可选地，TiO2纳米棒的高度可以为300～500nm。
可选地，TiO2纳米棒沿(101)晶向生长。
可选地，衬底可以为适用于红黄光LED的GaAs衬底，也可以为适用于蓝绿光LED的蓝宝石衬底、SiC衬底或者GaN衬底。
本发明实施例通过在石墨烯薄膜层上以阵列方式设置若干TiO2纳米棒，TiO2绿色无毒、催化活性高，化学稳定性好、成本低廉，TiO2纳米棒与ZnO纳米棒具有相似的光电性能，利用其独特的几何结构减少光的吸收，同时TiO2纳米棒的形成可以直接采用石墨烯薄膜层作为种子层，种子层结合紧密，不容易被破坏，能够明显提高LED的发光效率。另外，采用石墨烯薄膜层作为电流扩展层，石墨烯是目前最薄的纳米材料，具有极高的载流子浓度和迁移率，出色的光透过性(达到97％)，一方面可以与P型GaN层形成良好的欧姆接触，降低电阻，提高芯片的电流扩展能力，减小功耗，另一方面也不会影响LED的透光性。
实施例二
本发明实施例提供了一种LED芯片的制作方法，适用于制作实施例一提供的LED芯片，参见图2，该制作方法包括：
步骤201：采用金属有机化合物化学气相沉积(英文：metal organic chemicalvapour deposition，简称：MOCVD)技术在衬底上依次外延生长未掺杂AlN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlyGa1-yN层、P型GaN层，0.1＜y＜0.5，多量子阱层包括交替层叠的InGaN层和GaN层。
可选地，衬底可以为适用于红黄光LED的GaAs衬底，也可以为适用于蓝绿光LED的蓝宝石衬底、SiC衬底或者GaN衬底。
步骤202：在P型GaN层上形成石墨烯薄膜层。
具体地，该步骤202可以包括：
采用化学气相沉积技术(英文：Chemical Vapor Deposition)，简称：CVD)在镍金属基板上制备石墨烯薄膜；
在石墨烯薄膜上涂覆第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料；
采用金属腐蚀液溶解镍金属基板；
移动第一层聚甲基丙烯酸甲酯(英文：PolymethylMethacrylate，简称：PMMA)材料，将石墨烯薄膜转移至P型GaN层上；
在第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料上涂覆第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将石墨烯薄膜紧密贴合在P型GaN层上；
加热第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料紧密粘合；
将第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料浸在丙酮溶液中加热去除。
可选地，加热的温度可以为105℃，加热的时间可以为几分钟。
可选地，该制作方法还可以包括：
反复清洗，并在室温下晾干。
步骤203：采用光刻技术和刻蚀技术在石墨烯薄膜层上开设延伸至N型GaN层的凹槽。
具体地，该步骤203可以包括：
在石墨烯薄膜层上涂覆一层光刻胶；
采用光刻技术部分光刻胶；
在光刻胶的保护下，采用电感耦合等离子体(英文：Inductive Coupled Plasma，简称：ICP)刻蚀技术在石墨烯薄膜层上开设延伸至N型GaN层的凹槽；
去除光刻胶。
步骤204：在N型GaN层上设置N型电极，在石墨烯薄膜层上设置P型电极。
步骤205：采用光刻技术在凹槽内、以及N型电极和P型电极上形成光刻胶。
步骤206：采用水热法在石墨烯薄膜层和光刻胶上生长若干TiO2纳米棒，若干TiO2纳米棒以阵列方式设置。
具体地，该步骤206可以包括：
将衬底放置在水热反应釜中由钛酸四丁酯和盐酸组成的混合溶液内进行反应，在石墨烯薄膜层和光刻胶上形成若干TiO2纳米棒；
反应完成后将混合溶液的温度恢复至水热反应釜所在环境的温度；
从水热反应釜中取出衬底，采用去离子水进行冲洗，并采用氮气吹干。
可选地，混合溶液中钛的浓度可以为0.02～0.2mol/L，混合溶液的pH值可以为6～8。
优选地，反应的温度可以为100～200℃，温度较低，不会影响LED的结构和电学性能；反应的时间可以为1～10小时。
可选地，TiO2纳米棒的直径可以为20～80nm。
可选地，TiO2纳米棒的高度可以为300～500nm。
可选地，TiO2纳米棒沿(101)晶向生长。
需要说明的是，通过改变混合溶液中钛的浓度、混合溶液的pH值、反应的温度、反应的时间，可以调节TiO2纳米棒的直径、TiO2纳米棒的高度、TiO2纳米棒的生长方向、TiO2纳米棒的密度、TiO2纳米棒的表面粗糙度，从而使TiO2纳米棒的阵列表面积达到最大，光提取效率达到最高，即最大程度提高发光效率。
步骤207：采用去胶液去除光刻胶和光刻胶上的TiO2纳米棒。
可选地，该制作方法还可以包括：
采用去离子水进行冲洗，并采用氮气吹干。
步骤208：裂片得到若干相互独立的LED芯片。
本发明实施例通过在石墨烯薄膜层上以阵列方式设置若干TiO2纳米棒，TiO2绿色无毒、催化活性高，化学稳定性好、成本低廉，TiO2纳米棒与ZnO纳米棒具有相似的光电性能，利用其独特的几何结构减少光的吸收，同时TiO2纳米棒的形成可以直接采用石墨烯薄膜层作为种子层，种子层结合紧密，不容易被破坏，能够明显提高LED的发光效率。而且TiO2纳米棒的形成过程中，光刻胶覆盖在电极上，可以对电极形成很好的保护，可以避免影响电学性能。另外，采用石墨烯薄膜层作为电流扩展层，石墨烯是目前最薄的纳米材料，具有极高的载流子浓度和迁移率，出色的光透过性(达到97％)，一方面可以与P型GaN层形成良好的欧姆接触，降低电阻，提高芯片的电流扩展能力，减小功耗，另一方面也不会影响LED的透光性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种LED芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
采用金属有机化合物化学气相沉积技术在衬底上依次外延生长未掺杂AlN缓冲层、未掺杂GaN层、N型GaN层、多量子阱层、P型AlyGa1-yN层、P型GaN层，0.1＜y＜0.5，所述多量子阱层包括交替层叠的InGaN层和GaN层；
在所述P型GaN层上形成石墨烯薄膜层；
采用光刻技术和刻蚀技术在所述石墨烯薄膜层上开设延伸至所述N型GaN层的凹槽；
在所述N型GaN层上设置N型电极，在所述石墨烯薄膜层上设置P型电极；
采用光刻技术在所述凹槽内、以及所述N型电极和所述P型电极上形成光刻胶；
采用水热法在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上生长若干TiO2纳米棒，所述若干TiO2纳米棒以阵列方式设置，所述石墨烯薄膜层为所述若干TiO2纳米棒的种子层；
采用去胶液去除所述光刻胶和所述光刻胶上的TiO2纳米棒；
裂片得到若干相互独立的LED芯片；
所述采用水热法在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上生长若干TiO2纳米棒，包括：
将所述衬底放置在水热反应釜中由钛酸四丁酯和盐酸组成的混合溶液内进行反应，在所述石墨烯薄膜层和所述光刻胶上形成所述若干TiO2纳米棒；所述混合溶液中钛的浓度为0.02~0.2mol/L，所述混合溶液的pH值为6~8；反应的温度为100~200℃，反应的时间为1~10小时；
反应完成后将所述混合溶液的温度恢复至所述水热反应釜所在环境的温度；
从所述水热反应釜中取出所述衬底，采用去离子水进行冲洗，并采用氮气吹干；
所述在所述P型GaN层上形成石墨烯薄膜层，包括：
采用化学气相沉积技术在镍金属基板上制备石墨烯薄膜；
在所述石墨烯薄膜上涂覆第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料；
采用金属腐蚀液溶解所述镍金属基板；
移动所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述石墨烯薄膜转移至所述P型GaN层上；
在所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料上涂覆第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述石墨烯薄膜紧密贴合在所述P型GaN层上；
加热所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料，将所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料紧密粘合；
将所述第一层聚甲基丙烯酸甲酯材料和所述第二层聚甲基丙烯酸甲酯材料浸在丙酮溶液中加热去除。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述TiO2纳米棒的直径为20~80nm，所述TiO2纳米棒的高度为300~500nm。
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