CN109360874A - 基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件及其制备方法，其包括衬底，缓冲层，位于所述衬底的上表面，N型层，覆盖于所述缓冲层的上，多量子阱层，覆盖于所述N型层上，电子阻挡层，覆盖于所述多量子阱层上，P型层，覆盖于所述电子阻挡层上，微阵列导电电极层，覆盖于所述P型层上，其中，所述微阵列导电电极层包括石墨烯及多环银纳米薄膜电极。本发明发光器件的导电电极层使用石墨烯与金属Ag薄膜相结合，并且其金属Ag薄膜采用图形化处理，利用表面等离极化激元效应，不仅使得发光效率有了较大的提升，而且降低了电阻值，降低了热量的产生，有较好的散热。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件及其制备方法。
背景技术
发光二极管(light emitting diode，LED)在日常照明等各领域应用相当广泛。但LED芯片发出的光在出射芯片的时候，有相当一部分光被芯片与外界的界面反射，导致LED芯片发光效率的下降。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明至少提供如下技术方案：
基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件，其包括，
衬底；
缓冲层，位于所述衬底的上表面；
N型层，覆盖于所述缓冲层的上；
多量子阱层，覆盖于所述N型层上；
电子阻挡层，覆盖于所述多量子阱层上；
P型层，覆盖于所述电子阻挡层上；
微阵列导电电极层，覆盖于所述P型层上，其中，所述微阵列导电电极层包括石墨烯及多环银纳米薄膜电极。
进一步的，所述多环银纳米薄膜电极位于所述石墨烯层之上。
进一步的，还包括p电极及n电极。
进一步的，所述银纳米膜导电电极层包含至少三个同心圆环以及至少四条互相垂直的矩形带，所述同心圆环之间间距相等，所述矩形带沿其圆环的直径方向连接圆环，并沿所述圆环的圆周方向均匀分布。
进一步的，所述同心圆环为三个，最外围的圆环外径为180nm，最小圆环的外径为60nm，位于所述最外围的圆环与所述最小圆环之间的圆环外径为120nm，所述圆环的带宽为15nm。
进一步的，所述互相垂直的矩形带为四个，所述矩形带的带宽为15nm。
基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件的制备方法，其包括，
衬底的清洁处理；
在清洁处理后的衬底表面沉积一缓冲层；
在所述缓冲层的表面沉积一N型层；
在所述N型层的表面沉积多量子阱层；
在所述多量子阱层表面生长一电子阻挡层；
在所述电子阻挡层表面生长一P型层；
将单层石墨烯转移至所述P型层上；
在所述单层石墨烯表面蒸镀金属Ag薄膜；
采用光刻技术将所述金属Ag薄膜刻蚀为多环Ag纳米薄膜，从而形成微阵列导电电极层；
P电极及n电极的制备。
进一步的，在所述p电极及n电极的制备工序之后，在280℃的氮气气氛下进行10分钟的退火处理。
进一步的，所述银纳米膜导电电极层包含至少三个同心圆环以及至少四条互相垂直的矩形带，所述同心圆环之间间距相等，所述矩形带沿其圆环的直径方向连接圆环，并沿所述圆环的圆周方向均匀分布。
进一步的，所述同心圆环为三个，最外围的圆环外径为180nm，最小圆环的外径为60nm，位于所述最外围的圆环与所述最小圆环之间的圆环外径为120nm，所述圆环的带宽为15nm。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：本发明的导电电极层使用石墨烯与金属Ag薄膜相结合，利用了石墨烯材料的结构特点，实现了较高的出光效率，同时具有较好的导电率，并且其金属Ag薄膜采用图形化处理，形成了特殊形状的多环银纳米薄膜，其利用表面等离极化激元效应，增加了金属边缘化程度，不仅使得发光效率有了较大的提升，而且减少了薄膜的使用面积，降低了电阻值，降低了热量的产生，有较好的散热效果。
附图说明
图1是本发明基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件的横截面示意图。
图2是本发明基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件的俯视图。
图3是本发明基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的的微阵列导电电极层的结构示意图。
附图标记：1为单层石墨烯，2为P型层，3为电子阻挡层，4为p电极，5为n电极，6为多量子阱，7为N型层，8为缓冲层，9为衬底，10-12为同心圆环，13-16为矩形带。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示了本发明的基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件的结构示意图，其包括衬底9，衬底9可以是蓝宝石衬底，位于衬底9上表面的缓冲层8，缓冲层8可以是未掺杂GaN层，未掺杂GaN层的厚度为25nm，位于缓冲层8上的N型层7，N型层7为N-GaN层，N-GaN层的厚度为2μm，覆盖于N型层7上的多量子阱层6，多量子阱层可以为10个周期的InGaN/GaN，多量子阱层6的厚度为10nm，覆盖于多量子阱层6上的电子阻挡层3，电子阻挡层3为AlGaN/GaN，厚度为10nm，位于电子阻挡层3上的P型层2，P型层2为P-GaN，厚度为100nm，覆盖于P型层上的微阵列导电电极层，所述微阵列导电电极层包括石墨烯层1以及多环银纳米薄膜导电电极，石墨烯层1为单层石墨烯，厚度为0.34nm，n电极5，位于所述外延片刻蚀掉深度至所述N型层的边缘部分上，p电极4，位于所述微阵列导电电极层上。
所述多环银纳米薄膜导电电极包括至少三个同心圆环以及至少四条连接其同心圆环的矩形带，其同心圆环之间间距相等，其矩形带沿其圆环的直径方向连接圆环，并沿其圆环的圆周方向均匀分布，所述多环银纳米薄膜导电电极的厚度为10-20nm。在该实施例中，所述多环银纳米薄膜导电电极包括三个同心圆环10-12，以及四条呈十字型分布的矩形带13-16，该四条矩形带相互垂直，其多环银纳米薄膜导电电极的厚度为10-20nm，其圆环10的外径分别为180nm，圆环11的外径为120nm，圆环12的外径为60nm，其圆环的带宽为15nm，其矩形带的带宽为15nm，如图3所示。多环条带结构的银纳米薄膜，增加了金属边缘化程度，减少了薄膜的使用面积，节约了材料，减少了热量的产生。
由于石墨烯具有较好的导电、导热以及透光性能，几乎完全透明，透光率高达98％，电阻率只有10-8Ω·m，为电阻率最小的材料，并且具有可弯曲性，在可见光波段具有紧密的场限制和可控的费米能级，能实现快速的反射，提高出光效率。金属Ag薄膜在光照的情况下能激发出表面等离极化激元效应，引发近场光学增强效应，从而提高了发光效率，并且导电性能良好，降低了热量的产生，具有较好的散热效果。银纳米薄膜为多环条带结构，增加了金属边缘化程度，减少了薄膜的使用面积，减少了热量的产生，节约了材料。进一步的，本发明将微阵列石墨烯层与多环金属Ag纳米薄膜设置于其光发射器件的出光区域，实现了石墨烯与多环金属Ag纳米薄膜的协同作用，极大程度的提高了其发光器件的发光效率，同时具有较好的导电性能。
本实施例中所述LED的发光波长为515-570nm的绿光。
对应的本发明的基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件的制备方法包括以下步骤：
外延片的生长：
所述的外延片生长包括，
(1)将蓝宝石衬底9置于体积比为1:4的磷酸与硫酸的热溶液中刻蚀10min，然后置于1100℃的氢气环境中烘干10min，以去除衬底表面的杂质及氧化物。
(2)将清洁后的蓝宝石衬底9温度降至550℃。
(3)在蓝宝石衬底9上表面通过MOCVD技术在350℃环境下沉积一层厚度为25nm的无掺杂GaN作为缓冲层8，关闭TMGa源。
(4)升高温度至1070℃，开启TMGa源，在缓冲层8上生长一层厚度为1μm的本征GaN，然后打开硅烷源进行掺杂，生成厚度为2μm的N型层7，N型层7为N-GaN，关闭TMGa源。
(5)降低温度至800℃，打开TMIn源，在N-GaN层上生长一层厚度为10nm的10个周期的多量子阱6，多量子阱6为InGaN/GaN，关闭TMIn源。
(6)升高温度至850℃，打开TMAl源，在InGaN/GaN的垒层上生长一层厚度为10nm的电子阻挡层3，电子阻挡层3为AlGaN/GaN，关闭TMAl源。
(7)打开TMGa源，在AlGaN/GaN上生长一层厚度为100nm的P型层2，P型层2为P-GaN，进而形成外延片。
(8)通过刻蚀技术，刻蚀掉外延片边缘部分，深度至N型层7。
(9)采用PMMA将石墨烯从Cu板转移至P-型层2上，得到厚度为0.34nm的单层石墨烯1。
(10)采用电子束蒸镀设备在单层石墨烯1表面蒸镀一层金属Ag薄膜，厚度为10nm。
(11)采用光刻技术在Ag薄膜上制备出多环Ag纳米薄膜，多环Ag纳米薄膜包括三个同心圆环10-12，以及4条互相垂直的矩形带13-16，其圆环10-12之间的间距相等，矩形带13-16沿其圆环的直径方向连接圆环10-12，并沿圆周方向均匀分布。其中圆环10外径为180nm，圆环11外径为120nm，圆环12外径为60nm，所有圆环带宽为15nm。
(12)光刻4条相互垂直的矩形带13-16连接圆环10、11、12，矩形带宽为15nm。进而形成微阵列导电电极层。
p电极及n电极的制备：
(1)在所述的刻蚀掉的N型层上制备n电极5。
(2)在所述的多环Ag纳米薄膜的最外环上制备p电极4。
在280℃的氮气环境下进行10min的退火处理，然后通过倒装芯片工艺得到高出光效率的LED。
由此可见，本发明的导电电极层使用石墨烯与金属Ag薄膜相结合，且其金属Ag薄膜采用图形化处理，形成了特殊形状的多环银纳米薄膜，其利用表面等离极化激元效应，增加了金属边缘化程度，不仅使得发光效率有了较大的提升，而且减少了薄膜的使用面积，降低了电阻值，降低了热量的产生，有较好的散热效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件，其包括，
衬底；
缓冲层，位于所述衬底的上表面；
N型层，覆盖于所述缓冲层的上；
多量子阱层，覆盖于所述N型层上；
电子阻挡层，覆盖于所述多量子阱层上；
P型层，覆盖于所述电子阻挡层上；
微阵列导电电极层，覆盖于所述P型层上，其中，所述微阵列导电电极层包括石墨烯及多环银纳米薄膜电极。
2.根据权利要求1的所述发光器件，其特征在于，所述多环银纳米薄膜电极位于所述石墨烯层之上。
3.根据权利要求2的所述发光器件，其特征在于，还包括p电极及n电极。
4.根据权利要求1或2的所述发光器件，其特征在于，所述银纳米膜导电电极层包含至少三个同心圆环以及至少四条互相垂直的矩形带，所述同心圆环之间间距相等，所述矩形带沿其圆环的直径方向连接圆环，并沿所述圆环的圆周方向均匀分布。
5.根据权利要求4的所述发光器件，其特征在于，所述同心圆环为三个，最外围的圆环外径为180nm，最小圆环的外径为60nm，位于所述最外围的圆环与所述最小圆环之间的圆环外径为120nm，所述圆环的带宽为15nm。
6.根据权利要求4的所述发光器件，其特征在于，所述互相垂直的矩形带为四个，所述矩形带的带宽为15nm。
7.基于石墨烯及多环银纳米薄膜电极的发光器件的制备方法，其包括，
衬底的清洁处理；
在清洁处理后的衬底表面沉积一缓冲层；
在所述缓冲层的表面沉积一N型层；
在所述N型层的表面沉积多量子阱层；
在所述多量子阱层表面生长一电子阻挡层；
在所述电子阻挡层表面生长一P型层；
将单层石墨烯转移至所述P型层上；
在所述单层石墨烯表面蒸镀金属Ag薄膜；
采用光刻技术将所述金属Ag薄膜刻蚀为多环Ag纳米薄膜，从而形成微阵列导电电极层；
p电极及n电极的制备。
8.根据权利要求7的所述制备方法，其特征在于，在所述p电极及n电极的制备工序之后，在280℃的氮气气氛下进行10分钟的退火处理。
9.根据权利要求7或8的所述制备方法，其特征在于，所述银纳米膜导电电极层包含至少三个同心圆环以及至少四条互相垂直的矩形带，所述同心圆环之间间距相等，所述矩形带沿其圆环的直径方向连接圆环，并沿所述圆环的圆周方向均匀分布。
10.根据权利要求9的所述制备方法，其特征在于，所述同心圆环为三个，最外围的圆环外径为180nm，最小圆环的外径为60nm，位于所述最外围的圆环与所述最小圆环之间的圆环外径为120nm，所述圆环的带宽为15nm。
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| CN109360874B (zh) | 2020-10-23 |
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