CN107026221A - 具有高亮度的led芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有高亮度的LED芯片及其制备方法，包括以下步骤：1）提供生长衬底，在生长衬底上依次生长n型GaN层、发光层多量子阱及p型GaN层；2）形成贯穿p型GaN层及发光层多量子阱的深槽，深槽的底部位于n型GaN层内；3）在p型GaN层表面形成电流阻挡层；4）在p型GaN层及电流阻挡层表面形成石墨烯，石墨烯包覆电流阻挡层，并覆盖电流阻挡层外围的部分p型GaN层；5）在电流阻挡层上方的石墨烯表面形成P电极，并在n型GaN层表面形成N电极。使用石墨烯来替代氧化铟锡作为LED芯片制程中的欧姆接触及电流扩展层，使得所述LED芯片具有更高的光透过率、更高的散热能力及更强的耐环境性，从而有效地提升LED芯片的亮度和可靠性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是涉及一种具有高亮度的LED芯片及其制备方法。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称LED)是一种半导体固态发光器件，利用半导体P-N结电致发光原理制成。LED器件具有开启电压低、体积小、响应快、稳定性好、寿命长、无污染等良好光电性能，因此在室外室内照明、背光、显示、交通指示等领域具有越来越广泛的应用。
目前在GaN基LED芯片中，氧化铟锡(ITO)由于其高电导率和高透光率，已成为LED芯片生产工艺中透明导电薄膜的主要材料。然而ITO在使用过程中也存在一些缺点，包括：1)铟源材料的价格持续上涨，ITO变得日益昂贵，并且制备方法费用高昂；2)ITO薄膜的柔韧性比较差，弯曲时容易破碎和断裂，限制了器件的应用范围；3)ITO对酸性环境敏感，容易在芯片制程中出现被腐蚀异常；4)ITO尽管在可见光区域有高达有85％的透射率，但是在紫外(UV)区域(波长小于350nm)有很强的光吸收，光透射率降低到40％以下，导致紫外LED的光提取效率大幅降低；基于以上原因，寻找一种能代替ITO的材料成为LED芯片制备的必需。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有高亮度的LED芯片及其制备方法，用于解决现有技术中使用氧化铟锡作为欧姆接触及电流扩展层而存在的氧化铟锡成本较高；氧化铟锡柔韧性差弯曲时容易破碎和断裂，限制了器件的应用范围；氧化铟锡对酸性环境敏感，容易在芯片制程中被腐蚀异常；ITO尽管在可见光区域有高达有85％的透射率，但是在紫外(UV)区域(波长小于350nm)有很强的光吸收，光透射率降低到40％以下，导致紫外LED的光提取效率大幅降低等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有高亮度的LED芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供生长衬底，在所述生长衬底上依次生长n型GaN层、发光层多量子阱及p型GaN层；
2)形成贯穿所述p型GaN层及所述发光层多量子阱的深槽，所述深槽的底部位于所述n型GaN层内；
3)在所述p型GaN层表面形成电流阻挡层；
4)在所述p型GaN层及所述电流阻挡层表面形成石墨烯，所述石墨烯包覆所述电流阻挡层，并覆盖所述电流阻挡层外围的部分所述p型GaN层；
5)在所述电流阻挡层上方的所述石墨烯表面形成P电极，并在所述n型GaN层表面形成N电极。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，所述步骤2)中，采用BCl3、Cl2及Ar等离子体选择性刻蚀所述p型GaN层、所述发光层多量子阱及所述n型GaN层以形成所述深槽。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，所述步骤3)中，采用等离子体增强化学气相沉积法在所述p型GaN层表面沉积SiO2层作为所述电流阻挡层，或采用原子层沉积法在所述p型GaN层表面沉积Al2O3层作为所述电流阻挡层。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，所述步骤4)中，采用化学气相沉积法在所述p型GaN层及所述电流阻挡层表面形成所述石墨烯。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，在所述p型GaN层及所述电流阻挡层表面形成所述石墨烯之后，还包括对所述石墨烯进行高温退火处理的步骤。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，对所述石墨烯进行高温退火处理的温度为500℃～900℃。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，采用化学气相沉积法在所述电流阻挡层上方的所述石墨烯表面形成P电极，并在所述n型GaN层表面形成N电极，所述P电极及所述N电极的材料为Cr、Pt、Au、Al、Ti、Ni中的一种或几种的组合。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，步骤5)之后，还包括在步骤5)得到的结构表面形成芯片保护层，并刻蚀所述芯片保护层暴露出所述P电极及所述N电极的步骤。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的制备方法的一种优选方案，采用等离子体增强化学气相沉积法在所述步骤5)得到的结构表面沉积SiO2层作为所述芯片保护层，或采用原子层沉积法在所述步骤5)得到的结构表面沉积Al2O3层作为所述芯片保护层。
本发明还提供一种具有高亮度的LED芯片，所述具有高亮度的LED芯片包括：生长衬底、n型GaN层、发光层多量子阱、p型GaN层、电流阻挡层、石墨烯、P电极及N电极；其中，
所述n型GaN层、所述发光层多量子阱、所述p型GaN层、所述电流阻挡层及所述石墨烯由下至上依次叠置于所述生长衬底的上表面，且所述石墨烯包覆所述电流阻挡层，并覆盖所述电流阻挡层外围的部分所述p型GaN层；所述n型GaN层、所述发光层多量子阱及所述p型GaN层内形成有深槽，所述深槽贯穿所述p型GaN层及所述发光层多量子阱，且所述深槽的底部位于所述n型GaN层内；
所述P电极位于所述电流阻挡层上方的所述石墨烯表面；
所述N电极位于所述深槽底部的所述n型GaN层表面。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的一种优选方案，所述电流阻挡层为SiO2层或Al2O3层。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的一种优选方案，所述具有高亮度的LED芯片的上表面覆盖有芯片保护层，所述芯片保护层内形成有开口，所述开口暴露出所述P电极及所述N电极。
作为本发明的具有高亮度的LED芯片的一种优选方案，所述芯片保护层为SiO2层或Al2O3层。
如上所述，本发明的具有高亮度的LED芯片及其制备方法，具有以下有益效果：采用石墨烯替换氧化铟锡作为欧姆接触及电流扩展层，石墨烯材料相比于氧化铟锡材料具有更优异的导电性，电阻率为10-6Ω.cm，电子迁移率为15000cm2/V.S，更高的光透过性，在深紫外到红外波段内光的透过率在97％以上；石墨烯具有更好的导热性能，导热系数达到5300W/m.K，材料更加致密；使用石墨烯来替代氧化铟锡作为LED芯片制程中的欧姆接触及电流扩展层，使得所述LED芯片具有更高的光透过率、更高的散热能力及更强的耐环境性，从而有效地提升LED芯片的亮度和可靠性能。
附图说明
图1显示为本发明具有高亮度的LED芯片的制备方法的流程图。
图2显示为本发明具有高亮度的LED芯片的制备方法中S1步骤呈现的结构示意图。
图3显示为本发明具有高亮度的LED芯片的制备方法中S2步骤呈现的结构示意图。
图4显示为本发明具有高亮度的LED芯片的制备方法中S3步骤呈现的结构示意图。
图5显示为本发明具有高亮度的LED芯片的制备方法中S4步骤呈现的结构示意图。
图6显示为本发明具有高亮度的LED芯片的制备方法中S5步骤呈现的结构示意图。
图7显示为本发明具有高亮度的LED芯片的制备方法中S6步骤呈现的结构示意图。
元件标号说明
100 生长衬底
101 n型GaN层
102 发光层多量子阱
103 p型GaN层
104 深槽
105 电流阻挡层
106 石墨烯
107 P电极
108 N电极
109 芯片保护层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图7需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种具有高亮度的LED芯片的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供生长衬底，在所述生长衬底上依次生长n型GaN层、发光层多量子阱及p型GaN层；
2)形成贯穿所述p型GaN层及所述发光层多量子阱的深槽，所述深槽的底部位于所述n型GaN层内；
3)在所述p型GaN层表面形成电流阻挡层；
4)在所述p型GaN层及所述电流阻挡层表面形成石墨烯，所述石墨烯包覆所述电流阻挡层，并覆盖所述电流阻挡层外围的部分所述p型GaN层；
5)在所述电流阻挡层上方的所述石墨烯表面形成P电极，并在所述n型GaN层表面形成N电极。
在步骤1)中，请参阅图1中的S1步骤及图2，提供生长衬底100，在所述生长衬底100上依次生长n型GaN层101、发光层多量子阱102及p型GaN层103。
作为示例，所述生长衬底100可以为但不仅限于适合GaN及其半导体外延材料生长的蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
作为示例，在所述生长衬底100上依次外延生长所述n型GaN层101、所述发光层多量子阱102及所述p型GaN层103。
在步骤2)中，请参阅图1中的S2步骤及图3，形成贯穿所述p型GaN层103及所述发光层多量子阱102的深槽104，所述深槽104的底部位于所述n型GaN层101内。
作为示例，采用光刻、刻蚀工艺在所述芯片单元内形成贯穿所述p型GaN层103及所述发光层多量子阱102的所述深槽104，具体方法为：首先，在所述p型GaN层103表面涂覆光刻胶层(未示出)，采用光刻工艺图形化所述光刻胶层，以在所述光刻胶层内形成所述深槽104的图形；其次，依据图形化的所述光刻胶层采用BCl3、Cl2及Ar等离子体选择性刻蚀所述p型GaN层103、所述发光层多量子阱102及所述n型GaN层101以形成所述深槽104；最后，去除所述光刻胶层。
在步骤3)中，请参阅图1中的S3步骤及图4，在所述p型GaN层103表面形成电流阻挡层105。
作为示例，采用等离子体增强化学气相沉积法在所述p型GaN层103表面沉积一层SiO2层作为所述电流阻挡层105。所述SiO2层的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例，所述SiO2层的厚度可以为但不仅限于800埃～5000埃。
作为示例，采用原子层沉积法在所述p型GaN层103表面沉积Al2O3层作为所述电流阻挡层105。所述Al2O3层的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述Al2O3层的厚度可以为但不仅限于200埃～2000埃。
在步骤4)中，请参阅图1中的S4步骤及图5，在所述p型GaN层103及所述电流阻挡层105表面形成石墨烯106，所述石墨烯106包覆所述电流阻挡层105，并覆盖所述电流阻挡层105外围的部分所述p型GaN层103。
作为示例，在所述p型GaN层103及所述电流阻挡层105表面形成石墨烯106的具体方法为：首先，利用化学气相沉积工艺在所述p型GaN层103表面形成所述石墨烯薄膜层；其次，在所述石墨烯薄膜层表面涂覆光刻胶层(未示出)，采用光刻工艺图形化所述光刻胶层，以在所述光刻胶层内定义出所述石墨烯106的图形；然后，依据图形化的所述光刻胶层，采用BCl3、Cl2及Ar等离子体选择性刻蚀掉部分所述石墨烯薄膜层，以形成所述石墨烯106，最后，去除所述光刻胶层。
作为示例，所述石墨烯106的厚度可以为但不仅限于20埃～200埃。
采用所述石墨烯106替换现有技术中的氧化铟锡作为欧姆接触及电流扩展层，石墨烯材料相比于氧化铟锡材料具有更优异的导电性，电阻率为10-6Ω.cm，电子迁移率为15000cm2/V.S，更高的光透过性，在深紫外到红外波段内光的透过率在97％以上；石墨烯具有更好的导热性能，导热系数达到5300W/m.K，材料更加致密；使用所述石墨烯106来替代氧化铟锡作为LED芯片制程中的欧姆接触及电流扩展层，有效地提升LED芯片的亮度和可靠性能。
作为示例，在所述p型GaN层103表面形成所述石墨烯106之后，还包括对所述石墨烯106进行高温退火处理的步骤。
作为示例，对所述石墨烯106进行高温退火处理的温度可以为但不仅限于500℃～900℃。
由于石墨烯材料的功率函数比较低，直接形成在所述p型GaN层103上的所述石墨烯106与所述p型GaN层103的欧姆接触不好，通过对所述石墨烯106进行高温退火处理，可以使得所述石墨烯106与所述p型GaN层具有良好的欧姆接触。
在步骤5)中，请参阅图1中的S5步骤及图6，在所述电流阻挡层105上方的所述石墨烯106表面形成P电极107，并在所述n型GaN层101表面形成N电极108。
作为示例，所述P电极107及所述N电极108的材料可以相同也可以不同，优选地，本实施例中，所述P电极107及所述N电极108的材料可以为Cr、Pt、Au、Al、Ti、Ni中的一种或几种的组合。
作为示例，所述P电极107及所述N电极108的厚度均为1.5μm～3.0μm。
作为示例，请参阅图7，步骤5)之后，还包括步骤6)：在所述步骤5)得到的结构表面形成芯片保护层109，并刻蚀所述芯片保护层109暴露出所述P电极107及所述N电极108。
作为示例，在所述步骤5)得到的结构表面形成芯片保护层109，并刻蚀所述芯片保护层109暴露出所述P电极107及所述N电极108的具体方法为：首先，采用等离子体增强化学气相沉积法在所述步骤5)得到的结构表面沉积SiO2层作为所述芯片保护层109；其次，在所述芯片保护层109表面涂覆光刻胶层(未示出)，采用光刻工艺图形化所述光刻胶层，以在所述光刻胶层内形成开口图形；然后，依据图形化的所述光刻胶层采用BCl3、Cl2及Ar等离子体选择性刻蚀所述芯片保护层109，以在所述芯片保护层109内形成开口，所述开口暴露出所述P电极107及所述N电极108；最后，去除所述光刻胶层。
作为示例，在所述步骤5)得到的结构表面形成芯片保护层109，并刻蚀所述芯片保护层109暴露出所述P电极107及所述N电极108的具体方法为：首先，采用原子层沉积法在所述步骤5)得到的结构表面沉积Al2O3层作为所述芯片保护层109；其次，在所述芯片保护层109表面涂覆光刻胶层(未示出)，采用光刻工艺图形化所述光刻胶层，以在所述光刻胶层内形成开口图形；然后，依据图形化的所述光刻胶层采用BCl3、Cl2及Ar等离子体选择性刻蚀所述芯片保护层109，以在所述芯片保护层109内形成开口，所述开口暴露出所述P电极107及所述N电极108；最后，去除所述光刻胶层。
本发明还提供一种具有高亮度的LED芯片，请参阅图2至图7，所述具有高亮度的LED芯片采用上述方案中所述的制备方法制备而得到，所述具有高亮度的LED芯片的最终结构如图7所示，所述具有高亮度的LED芯片包括：生长衬底100、n型GaN层101、发光层多量子阱102、p型GaN层103、电流阻挡层105、石墨烯106、P电极107及N电极108；其中，
所述n型GaN层101、所述发光层多量子阱102、所述p型GaN层103、所述电流阻挡层105及所述石墨烯106由下至上依次叠置于所述生长衬底100的上表面，且所述石墨烯106包覆所述电流阻挡层105，并覆盖所述电流阻挡层105外围的部分所述p型GaN层103；所述n型GaN层101、所述发光层多量子阱102及所述p型GaN层103内形成有深槽104，所述深槽104贯穿所述p型GaN层103及所述发光层多量子阱102，且所述深槽104的底部位于所述n型GaN层101内；所述P电极107位于所述电流阻挡层105上方的所述石墨烯106表面；所述N电极108位于所述深槽104底部的所述n型GaN层101表面。
作为示例，所述电流阻挡层105可以为但不仅限于SiO2层或Al2O3层。所述SiO2层的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例，所述SiO2层的厚度可以为但不仅限于800埃～5000埃；所述Al2O3层的厚度可以根据实际需要进行设定，优选地，本实施例中，所述Al2O3层的厚度可以为但不仅限于200埃～2000埃。
作为示例，所述具有高亮度的LED芯片的上表面覆盖有芯片保护层109，所述芯片保护层109内形成有开口，所述开口暴露出所述P电极107及所述N电极108。
作为示例，所述芯片保护层109可以为但不仅限于SiO2层或Al2O3层。
综上所述，本发明提供一种具有高亮度的LED芯片及其制备方法，所述具有高亮度的LED芯片的制备方法包括以下步骤：1)提供生长衬底，在所述生长衬底上依次生长n型GaN层、发光层多量子阱及p型GaN层；2)形成贯穿所述p型GaN层及所述发光层多量子阱的深槽，所述深槽的底部位于所述n型GaN层内；3)在所述p型GaN层表面形成电流阻挡层；4)在所述p型GaN层及所述电流阻挡层表面形成石墨烯，所述石墨烯包覆所述电流阻挡层，并覆盖所述电流阻挡层外围的部分所述p型GaN层；5)在所述电流阻挡层上方的所述石墨烯表面形成P电极，并在所述n型GaN层表面形成N电极。采用石墨烯替换氧化铟锡作为欧姆接触及电流扩展层，石墨烯材料相比于氧化铟锡材料具有更优异的导电性，电阻率为10-6Ω.cm，电子迁移率为15000cm2/V.S，更高的光透过性，在深紫外到红外波段内光的透过率在97％以上；石墨烯具有更好的导热性能，导热系数达到5300W/m.K，材料更加致密；使用石墨烯来替代氧化铟锡作为LED芯片制程中的欧姆接触及电流扩展层，使得所述LED芯片具有更高的光透过率、更高的散热能力及更强的耐环境性，从而有效地提升LED芯片的亮度和可靠性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (14)
1.一种具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
1)提供生长衬底，在所述生长衬底上依次生长n型GaN层、发光层多量子阱及p型GaN层；
2)形成贯穿所述p型GaN层及所述发光层多量子阱的深槽，所述深槽的底部位于所述n型GaN层内；
3)在所述p型GaN层表面形成电流阻挡层；
4)在所述p型GaN层及所述电流阻挡层表面形成石墨烯，所述石墨烯包覆所述电流阻挡层，并覆盖所述电流阻挡层外围的部分所述p型GaN层；
5)在所述电流阻挡层上方的所述石墨烯表面形成P电极，并在所述n型GaN层表面形成N电极。
2.根据权利要求1所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：所述生长衬底为蓝宝石衬底、GaN衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用BCl3、Cl2及Ar等离子体选择性刻蚀所述p型GaN层、所述发光层多量子阱及所述n型GaN层以形成所述深槽。
4.根据权利要求1所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用等离子体增强化学气相沉积法在所述p型GaN层表面沉积SiO2层作为所述电流阻挡层，或采用原子层沉积法在所述p型GaN层表面沉积Al2O3层作为所述电流阻挡层。
5.根据权利要求1所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用化学气相沉积法在所述p型GaN层及所述电流阻挡层表面形成所述石墨烯。
6.根据权利要求1或5所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：在所述p型GaN层及所述电流阻挡层表面形成所述石墨烯之后，还包括对所述石墨烯进行高温退火处理的步骤。
7.根据权利要求6所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：对所述石墨烯进行高温退火处理的温度为500℃～900℃。
8.根据权利要求1所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：采用化学气相沉积法在所述电流阻挡层上方的所述石墨烯表面形成P电极，并在所述n型GaN层表面形成N电极，所述P电极及所述N电极的材料为Cr、Pt、Au、Al、Ti、Ni中的一种或几种的组合。
9.根据权利要求1所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：步骤5)之后，还包括在步骤5)得到的结构表面形成芯片保护层，并刻蚀所述芯片保护层暴露出所述P电极及所述N电极的步骤。
10.根据权利要求9所述的具有高亮度的LED芯片的制备方法，其特征在于：采用等离子体增强化学气相沉积法在所述步骤5)得到的结构表面沉积SiO2层作为所述芯片保护层，或采用原子层沉积法在所述步骤5)得到的结构表面沉积Al2O3层作为所述芯片保护层。
11.一种具有高亮度的LED芯片，其特征在于，所述具有高亮度的LED芯片包括：生长衬底、n型GaN层、发光层多量子阱、p型GaN层、电流阻挡层、石墨烯、P电极及N电极；其中，
所述n型GaN层、所述发光层多量子阱、所述p型GaN层、所述电流阻挡层及所述石墨烯由下至上依次叠置于所述生长衬底的上表面，且所述石墨烯包覆所述电流阻挡层，并覆盖所述电流阻挡层外围的部分所述p型GaN层；所述n型GaN层、所述发光层多量子阱及所述p型GaN层内形成有深槽，所述深槽贯穿所述p型GaN层及所述发光层多量子阱，且所述深槽的底部位于所述n型GaN层内；
所述P电极位于所述电流阻挡层上方的所述石墨烯表面；
所述N电极位于所述深槽底部的所述n型GaN层表面。
12.根据权利要求11所述的具有高亮度的LED芯片，其特征在于：所述电流阻挡层为SiO2层或Al2O3层。
13.根据权利要求11或12所述的具有高亮度的LED芯片，其特征在于：所述具有高亮度的LED芯片的上表面覆盖有芯片保护层，所述芯片保护层内形成有开口，所述开口暴露出所述P电极及所述N电极。
14.根据权利要求13所述的具有高亮度的LED芯片，其特征在于：所述芯片保护层为SiO2层或Al2O3层。
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