一種新型複合透明電極的led晶片及其製作方法

2023-06-22 18:07:46

一種新型複合透明電極的led晶片及其製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種新型複合透明電極的LED晶片，包括依次設置在襯底上的氮化鎵緩衝層、N-GaN層、量子阱層、P-GaN層、複合透明電極層和SiO2保護層，以及對應的n型電極和p型電極，其特徵在於：所述的複合透明電極層由石墨烯層狀薄膜和ZnO透明導電薄膜複合而成，也介紹了該晶片的製作方法。ZnO材料與P-GaN層的非歐姆接觸特性，使得ZnO在LED電極中的應用受到很大限制。石墨烯材料在可見光頻譜範圍內具有高達97%的可見光透過率、以及優異的導電性能及機械性能，當其用於P型電極接觸層時又可以與P-GaN間形成良好接觸，在石墨烯上生長一層ZnO，又可以提高石墨烯的電流擴展特性，二者複合後形成LED的複合透明電極層，接觸性能和透射率都可以得到大幅提高。
【專利說明】—種新型複合透明電極的LED晶片及其製作方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及LED晶片的【技術領域】，特別是一種新型複合透明電極的LED晶片及其製作方法。

【背景技術】
[0002]ZnO作為一種新型的寬禁帶半導體材料，具有與GaN相同的結構及相似的光電性能，甚至在激子發射性能等方面超越了 GaN，使其成為高效率LED和紫外波長LED的絕佳候選者。ZnO透明導電薄膜在可見光頻譜內具有很高的透射率，其電導率接近金屬薄膜，和ITO薄膜非常接近，經過摻雜或複合的ZnO透明導電薄膜，具有可與ITO薄膜相比擬的電學和光學特性。除此之外，與ITO相比，ZnO具有無毒無汙染、原料豐富、成本低的優勢，經過摻雜的ZnO透明導電薄膜，具有可與ITO薄膜相比擬的電學和光學特性，在壓電器件、太陽能電池、發光二級管等光電領域越來越受到重視、研究的範圍也越趨活躍。而In作為一種稀缺資源、價格昂貴，而且晶片工藝較為複雜，所以ZnO導電薄膜有望取代ITO導電薄膜而佔據未來的LED市場。
[0003]但目前最大的難點就是ZnO的P型摻雜難以實現，所以其作為透明導電層與P-GaN層的歐姆接觸特性不佳，使其廣泛應用受到一定限制。石墨烯自從被成功製備以來，就受到了廣大研究者的青睞。石墨烯具有石墨般完美的幾何結構與烯一樣的特性和應用。石墨烯具有較高的遷移率，由於其內部的散射機制主要以缺陷散射為主，所以在一定溫度範圍內遷移率為一個定值，理論值為200000 Cm2V4S'不僅如此，石墨烯具有很高的透過率(高達97%)，而且其電子遷移率高於ITO的三倍以上，完美的機械特性和優良的電學特性，使其開始在導電層上得到廣泛的研究和應用。但由於石墨烯厚度很薄，所以其薄層電阻較高，單獨用於導電薄膜則面臨電阻高、晶片正向電壓高的問題。


【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，本發明提供一種新型的複合透明導電層，能有效解決ZnO單獨作為透明導電薄膜的歐姆接觸問題，並避免了石墨烯單獨作為透明導電薄膜時阻值高及電流擴展的問題，並提供了具有該複合透明導電層的LED晶片的製作方法，能夠簡單方便地製作出一種新型複合透明導電層的LED晶片，提高透明導電層與P-GaN層的歐姆接觸特性、並降低其電阻，並提高其出光效率。
[0005]本發明的技術方案為:一種新型複合透明電極的LED晶片，包括依次生長在襯底上的氮化鎵緩衝層、N-GaN層、量子阱層、P-GaN層和複合透明電極層，其特徵在於:所述的N-GaN層上製作有η型電極，複合透明電極層上製作有P型電極，所述η型電極、ρ型電極外側的晶片表面沉積有Si02保護層，所述的複合透明電極層由石墨烯層狀薄膜和生長在石墨烯層狀薄膜上的ZnO透明導電薄膜複合而成。
[0006]所述的Si02保護層包覆在η型電極、ρ型電極外側，且Si02保護層經蝕刻暴露出η型電極和ρ型電極。
[0007]所述的石墨烯層狀薄膜厚度為2?200nm，ZnO透明導電薄膜厚度為100_300nm。
[0008]一種新型複合透明電極的LED晶片的製作方法，包括如下步驟:
A、採用MOCVD技術在藍寶石襯底上依次生長氮化鎵緩衝層、N-GaN層、量子阱層和P-GaN 層;
B、在P-GaN層的一側塗覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，另一側通過ICP法刻蝕到N-GaN的臺面；
C、在P-GaN層上製作有複合透明電極層(TCL)，複合透明電極層由石墨烯層狀薄膜和ZnO透明導電薄膜複合而成；
D、通過光刻工藝，在一側的複合透明電極層上得到P電極，在一側的N-GaN層上得到N電極；
E、使用PECVD在電極上沉積一層S12保護層後，再通過蝕刻使得P電極和N電極露出，完成LED晶片的製作。
[0009]所述步驟C中，複合透明電極層的製作方法包含如下步驟:
Cl、首先將石墨烯或氧化石墨烯中的一種材料和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把混合材料塗覆在晶片晶圓上，使石墨烯或氧化石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，並且PMMA還起到對反應產物-石墨烯的機械支撐作用；
C2、把塗覆有混合材料的晶片晶圓放在中溫管式爐中，以H2為載氣、N2為保護氣體，用化學氣相沉積法(CVD)得到石墨烯層狀薄膜；
C3、把上述步驟製得的石墨烯層狀薄膜浸於丙酮溶液中，低溫(55°C以下)加熱，去除掉表面的PMMA，反覆清洗後，室溫下晾乾；
C4、用USP法(超聲噴霧熱解法)或MOCVD法在層狀薄膜上生長一層ZnO透明導電薄膜。
[0010]所述的步驟Cl中，PMMA是通過超聲法實現與石墨烯或氧化石墨烯均勻混合。
[0011]所述的步驟C3中，層狀薄膜反覆清洗的方法是採用丙酮、異丙醇和去離子水進行反覆清洗。
[0012]所述的步驟C4中，ZnO透明導電薄膜的製作方法是以二乙鋅為鋅源，通入N2作為保護氣體和吹掃氣體、02作為反應氣體，控制生長溫度為450-500°C，氣體流量控制在為10000-15000sccm，反應腔室壓力為10_20torr，內中外三圈的電流保持在均勻恆定的水平，從而得到緻密性和透過率較佳的ZnO透明導電薄膜。
所述的步驟C4中，ZnO透明導電薄膜的製作方法是採用USP法，以乙酸鋅作為鋅源，乙醇作為溶劑，把反應生成的金屬鹽溶液在腔室中進行霧化後噴入高溫區，控制溫度在500-650°C左右，金屬鹽溶液的濃度優選為0.1-lmol/L，從而在晶片晶圓上得到一層ZnO導電薄膜。
[0013]本發明的有益效果為:通過簡單的化學氣相沉積法得到石墨烯/ZnO的複合透明導電薄膜，通過超聲法實現材料的均勻混合，然後把石墨烯和ZnO的複合薄膜自由鋪展在P-GaN層上，工藝簡單、操作方便，既有效解決了氧化鋅薄膜與P-GaN的歐姆接觸問題，又能有效避免石墨烯單獨作為導電薄膜時的高阻值及電流擴展的問題，且石墨烯與ZnO複合後形成LED的複合透明電極層，接觸性能和透射率都可以得到大幅提高。
[0014]【專利附圖】

【附圖說明】圖1為本發明所述的具有新型複合透明電極的LED晶片的結構示意圖。
[0015]圖中，1-襯底，2-緩衝層，3-N-GaN層，4-量子阱層，5_P_GaN層，6_石墨烯層狀薄膜，7-ZnO導電薄膜，8-P電極，9-N電極，1-S12保護層。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明:
實施例1:如圖1所示，一種新型複合透明電極的LED晶片，採用MOCVD法在Al2O3或GaN襯底上(I)依次生長氮化鎵緩衝層(2)、N-GaN層(3)、量子阱層(4)、P-GaN層(5);在P-GaN層上塗覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，通過ICP (反應離子蝕刻法)把P-GaN層的一側刻蝕到N-GaN層(3);首先將氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把其塗覆在襯底晶圓上，使氧化石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，並且PMMA還起到對反應產物-石墨烯的機械支撐作用；把上述材料放在中溫管式爐中，以H2為載氣,N2為保護氣體，用化學氣相沉積法得到石墨烯的層狀薄膜(6);把上述步驟製得的層狀薄膜(6)浸於丙酮溶液中，45°C低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反覆清洗後，室溫下晾乾；用國內首臺ZnO專用的M0CVD，以二乙鋅為鋅源，通入N2作為保護氣體和吹掃氣體、O2作為反應氣體，控制生長溫度為450-500°C，氣體流量控制在為13000sccm，反應腔室壓力為10-20ton.，內中外三圈的電流保持在均勻恆定的水平，從而得到緻密性和透過率較佳的ZnO透明導電薄膜(7);通過光刻工藝、在一側的複合電極層上製備出P電極(8)，另一側的N-GaN層(3)上製備出N電極(9);使用PECVD在電極上沉積一層Si02保護層(10 )後，再通過蝕刻使得P電極(8 )和N電極(9 )露出，完成石墨烯和ZnO複合透明電極的LED晶片的製作。
[0017]實施例2:如圖1所示，一種新型複合透明電極的LED晶片，採用MOCVD法在Al2O3或GaN襯底上(I)依次生長氮化鎵緩衝層(2 )、N-GaN層(3 )、量子阱層(4 )、P-GaN層(5 );在P-GaN層上塗覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，通過ICP (反應離子蝕刻法)把P-GaN層的一側刻蝕到N-GaN層(3);首先將石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把其塗覆在襯底晶圓上，使石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，並且PMMA還起到對反應產物-石墨烯的機械支撐作用；把上述材料放在中溫管式爐中，以H2為載氣，N2為保護氣體，用化學氣相沉積法得到石墨烯的層狀薄膜(6);把上述步驟製得的層狀薄膜(6)浸於丙酮溶液中，45°C低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反覆清洗後，室溫下晾乾；用國內首臺ZnO專用的M0CVD，以二乙鋅為鋅源，通入N2作為保護氣體和吹掃氣體、02作為反應氣體，控制生長溫度為450-500°C，氣體流量控制在為13000sccm，反應腔室壓力為10-20ton.，內中外三圈的電流保持在均勻恆定的水平，從而得到緻密性和透過率較佳的ZnO透明導電薄膜(7);通過光刻工藝、在一側的複合電極層上製備出P電極(8)，另一側的N-GaN層(3)上製備出N電極(9);使用PECVD在電極上沉積一層Si02保護層(10)後，再通過蝕刻使得P電極(8)和N電極(9)露出，完成石墨烯和ZnO複合透明電極的LED晶片的製作。
[0018]實施例3:如圖1所示，一種新型複合透明電極的LED晶片，採用MOCVD法在Al2O3或GaN襯底上(I)依次生長氮化鎵緩衝層(2)、N-GaN層(3)、量子阱層(4)、P-GaN層(5)；在P-GaN層上塗覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，通過ICP (反應離子蝕刻法)把P-GaN層的一側刻蝕到N-GaN層(3);首先將氧化石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把其塗覆在襯底晶圓上，使氧化石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，並且PMMA還起到對反應產物-石墨烯的機械支撐作用；把上述材料放在中溫管式爐中，以H2為載氣，N2為保護氣體，用化學氣相沉積法得到石墨烯的層狀薄膜
(6);把上述步驟製得的層狀薄膜(6)浸於丙酮溶液中，45°C低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反覆清洗後，室溫下晾乾；採用USP法，以乙酸鋅作為鋅源，乙醇作為溶劑，把反應生成的0.1-lmol/L濃度的金屬鹽溶液在腔室中進行霧化後噴入高溫區，控制溫度在500-650°C左右，從而在上述晶圓上得到一層ZnO導電薄膜(7);通過光刻工藝、在一側的複合電極層上製備出P電極(8)，另一側的N-GaN層(3)上製備出N電極(9);使用PECVD在電極上沉積一層Si02保護層(10)後，再通過蝕刻使得P電極(8)和N電極(9)露出，完成石墨烯和ZnO複合透明電極的LED晶片的製作。
[0019]實施例4:如圖1所示，一種新型複合透明電極的LED晶片，採用MOCVD法在Al2O3或GaN襯底上(I)依次生長氮化鎵緩衝層(2)、N-GaN層(3)、量子阱層(4)、P-GaN層(5)；在P-GaN層上塗覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，通過ICP (反應離子蝕刻法)把P-GaN層的一側刻蝕到N-GaN層(3);首先將石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料進行均勻混合，把其塗覆在襯底晶圓上，使石墨烯可以在反應爐中緊緊貼合在晶圓上，不被載氣或保護氣體吹走，並且PMMA還起到對反應產物-石墨烯的機械支撐作用；把上述材料放在中溫管式爐中，以H2為載氣，N2為保護氣體，用化學氣相沉積法得到石墨烯的層狀薄膜(6);把上述步驟製得的層狀薄膜(6)浸於丙酮溶液中，45°C低溫加熱，去除掉表面的PMMA，反覆清洗後，室溫下晾乾；採用USP法，以乙酸鋅作為鋅源，乙醇作為溶劑，把反應生成的0.1-lmol/L濃度的金屬鹽溶液在腔室中進行霧化後噴入高溫區，控制溫度在500-650°C左右，從而在上述晶圓上得到一層ZnO導電薄膜(7);通過光刻工藝、在一側的複合電極層上製備出P電極
(8)，另一側的N-GaN層(3)上製備出N電極(9);使用PECVD在電極上沉積一層Si02保護層(10 )後，再通過蝕刻使得P電極(8 )和N電極(9 )露出，完成石墨烯和ZnO複合透明電極的LED晶片的製作。
[0020]上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理和最佳實施例，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。
【權利要求】
1.一種新型複合透明電極的LED晶片，包括依次生長在襯底上的氮化鎵緩衝層、N-GaN層、量子阱層、P-GaN層和複合透明電極層，其特徵在於:所述的N-GaN層上製作有η型電極，複合透明電極層上製作有P型電極，所述η型電極、P型電極外側的晶片表面沉積有Si02保護層，所述的複合透明電極層由石墨烯層狀薄膜和生長在石墨烯層狀薄膜上的ZnO透明導電薄膜複合而成。
2.根據權利要求1所述的新型複合透明電極的LED晶片，其特徵在於:所述的Si02保護層包覆在η型電極、P型電極外側，且Si02保護層經蝕刻暴露出η型電極和ρ型電極。
3.根據權利要求1所述的新型複合透明電極的LED晶片，其特徵在於:所述的石墨烯層狀薄膜厚度為2?200nm，ZnO透明導電薄膜厚度為100_300nm。
4.一種新型複合透明電極的LED晶片的製作方法，包括如下步驟: A、採用MOCVD技術在藍寶石襯底上依次生長氮化鎵緩衝層、N-GaN層、量子阱層和P-GaN 層; B、在P-GaN層塗覆一層光刻膠，再進行曝光、顯影，在一側通過ICP法刻蝕到N-GaN的臺面； C、在P-GaN層上製作有複合透明電極層(TCL)，複合透明電極層由石墨烯的層狀薄膜和ZnO透明導電薄膜複合而成； D、通過光刻工藝，在一側的複合透明電極層上得到P電極，另一側的N-GaN層上得到N電極； E、使用PECVD在電極上沉積一層S12保護層後，再通過蝕刻使得P電極和N電極露出，完成LED晶片的製作。
5.根據權利要求4所述的新型複合透明電極的LED晶片的製作方法，其特徵在於:所述步驟C中，複合透明電極層的製作方法包含如下步驟: Cl、首先將石墨烯或氧化石墨烯中的一種材料和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA )材料進行均勻混合，把混合材料塗覆在晶片晶圓上； C2、把塗覆有混合材料的晶片晶圓放在中溫管式爐中，以H2為載氣、N2為保護氣體，用化學氣相沉積法(CVD)得到石墨烯層狀薄膜； C3、把上述步驟製得的石墨烯層狀薄膜浸於丙酮溶液中，低溫加熱，去除掉表面的PMMA,反覆清洗後,室溫下晾乾； C4、用USP法或MOCVD法在層狀薄膜上生長一層ZnO透明導電薄膜。
6.根據權利要求5所述的新型複合透明電極的LED晶片的製作方法，其特徵在於:所述的步驟Cl中，PMMA是通過超聲法實現與石墨烯或氧化石墨烯均勻混合。
7.根據權利要求5所述的新型複合透明電極的LED晶片的製作方法，其特徵在於:所述的步驟C3中，層狀薄膜反覆清洗的方法是採用丙酮、異丙醇和去離子水進行反覆清洗。
8.根據權利要求5所述的新型複合透明電極的LED晶片的製作方法，其特徵在於:所述的步驟C4中，ZnO透明導電薄膜的製作方法是以二乙鋅為鋅源，通入N2作為保護氣體和吹掃氣體、O2作為反應氣體，控制生長溫度為450-500°C，氣體流量控制為10000-15000sccm,反應腔室壓力為 10_20torr。
9.根據權利要求5所述的新型複合透明電極的LED晶片的製作方法，其特徵在於:所述的步驟C4中，ZnO透明導電薄膜的製作方法是採用USP法，以乙酸鋅作為鋅源，乙醇作為溶劑，把反應生成的金屬鹽溶液在腔室中進行霧化後噴入高溫區，控制溫度在500-650 V左右，從而在晶片晶圓上得到一層ZnO導電薄膜。
【文檔編號】H01L33/00GK104319320SQ201410596827
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】李方芳, 郝銳, 王波, 羅長得, 易翰翔, 劉洋, 許德裕 申請人:廣東德力光電有限公司