應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體的製作方法
2024-02-26 22:14:15
專利名稱：應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體技術領域，特別是指應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體。
背景技術：
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的,單層片狀結構的新材料。以碳原子sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維材料，具有高透過率，高導熱係數，高電子遷移率，低電阻率等特點。根據其優異的導電性，使它在微電子和光電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為未來製造更高速計算機的不可或缺的材料。現已應用於製造透明導電層，觸控屏幕、光板和太陽能電池。另一方面，垂直結構LED為了改善電流分布不均勻性和得到更好的外延層晶體質量，不得不使用更厚的N型載流子注入層，增加了生產成本和周期。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種應用石墨烯薄膜作為新型載流子注入層的發光二極體，其是通過使用石墨烯薄膜作為新型載流子注入層的方法，提高空穴注入，減小電子注入層厚度，降低成本。本發明提供一種應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，包括一襯底；一載流子注入層，其形成於襯底上；—發光層，其製作在載流子注入層上；一石墨烯薄膜，其製作在發光層上；一上金屬電極，其製作於石墨烯薄膜上。一下金屬電極，其製作於載流子注入層上；—支撐襯底，其製作於金屬電極上。其中該載流子注入層的材料為氮化銦鎵、氮化鋁鎵或氧化鋅。其中該載流子注入層的導電類型為N型或P型。其中所述的製作載流子注入層，是採用金屬有機物化學汽相澱積或分子束外延製備。其中該發光層為多周期結構，周期數為1-20。其中所述的製備石墨烯薄膜是採用撕膠帶法、化學汽相澱積法或熱氧化法。其中所述石墨烯薄膜的導電類型為N型或P型。其中所述石墨烯薄膜的材料為單層或多層石墨烯薄膜。其中所述製作下金屬電極和上金屬電極是採用光刻、刻蝕、沉積、腐蝕或蒸鍍。其中支撐襯底的材料為銅、矽或陶瓷。
為使審查員能進一步了解本發明的結構、特徵及其目的，以下結合附圖及較佳具體實施例的詳細說明如後，其中圖I是本發明的實施例，晶片結構示意圖。圖2為本發明的實施例，晶片結構在製作石墨烯薄膜後的示意圖。圖3為本發明的實施例，晶片結構在製作上金屬電極和支撐襯底後的示意圖。圖4為本發明的實施例，晶片結構在轉移襯底至支撐襯底並製作下金屬電極後的示意圖。
具體實施方式
請參閱圖I至圖4所示，本發明一種應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，包括一襯底20，該襯底20的材料為氮化鎵、藍寶石、碳化矽或矽；襯底20的作用是為其上的外延材料提供晶體生長的基板和支撐，依據技術成熟度，機械強度，器件穩定性，透光率，晶格匹配程度和熱應力失配程度等方面來選擇不同的襯底材料。該襯底20的材料為氮化鎵、藍寶石、碳化矽或矽；襯底20的作用是為其上的外延材料提供晶體生長的基板和支撐，依據技術成熟度，機械強度，器件穩定性，透光率，晶格匹配程度和熱應力失配程度等方面來選擇不同的襯底材料。首先，襯底材料和外延膜晶格匹配至關重要。晶格匹配包含兩個內容一是與外延生長面內的晶格匹配，即在生長界面所在平面的某一方向上襯底與外延層相匹配；另一個是沿襯底表面法線方向上的匹配，如果在這個方向上失配度過大，則襯底表面的任何不平或微小起伏都可能引入缺陷，並延伸到外延膜中。其次，外延層與襯底材料在熱膨脹係數應相近，相差過大不僅可能使外延膜在生長過程中質量下降，還可能會在器件工作過程中，由於發熱而造成器件的損壞。另外，襯底材料需要有相當好的化學穩定性，不能與外延膜發生化學反應，使外延層的質量下降。一載流子注入層30，其製作在襯底20上，該載流子注入層30的材料為氮化銦鎵、氮化鋁鎵或氧化鋅，該載流子注入層30的導電類型為N型或P型，所述的製作載流子注入層30，是採用金屬有機物化學汽相澱積或分子束外延製備；載流子注入層30的摻雜類型為N型或P型，作為電子或者空穴的注入層。其作用為作為電極向發光層31注入的載，向發光層31內注入電子或者空穴。在襯底20和發光層31的晶格之間存在失配的情況下，載流子注入層30還能夠實現晶格從襯底20向發光層31的過渡，減少晶格失配帶來的缺陷和位錯的影響，提高發光層31的晶體質量。一發光層31，其製作在載流子注入層30上面的一側，寬度小於載流子注入層30的寬度，使載流子注入層30形成一臺面31』，該發光層31為多周期結構，周期數為1-20 ;發光層31的作用為實現從上下電極50和51注入的載流子，經由載流子注入層30個石墨烯薄膜40的輸運,在發光層31其中的福射複合,把電能轉換為光能，以產生光子；通常發光層30的禁帶寬度小於載流子注入層30，以更好的容納載流子。 一石墨烯薄膜40，其製作在發光層31上，所述的製備石墨烯薄膜40是採用撕膠帶法、化學汽相澱積法或熱氧化法，所述石墨烯薄膜40的導電類型為N型或P型，所述石墨烯薄膜40的材料為單層或多層石墨烯薄膜；由於石墨烯薄膜40具有高電子遷移率，高透過率的，高熱傳導率，低電阻率的特性，不僅可以實現高效率的載流子注入，還具有透明導電層的作用，改善電流擴展，提高提取效率。一上金屬電極50，其製作於石墨烯薄膜40上，所述製作上金屬電極51是採用光亥IJ、刻蝕、沉積、腐蝕或蒸鍍；所述的金屬電極51與石墨烯薄膜40形成歐姆接觸，實現向石墨烯薄膜中的載流子注入。並連接晶片與外部封裝結構。一下金屬電極51，其製作於載流子注入層30上，使金屬電極50與載流子注入層30部分接觸。所述製作下金屬電極50是採用光刻、刻蝕、沉積、腐蝕或蒸鍍；金屬電極50主要起到金屬焊點連接外部封裝器件，以及實現電流從外部電路向載流子注入層30的注入的作用。—支撐襯底60,其製作於金屬電極50上；支撐襯底60的具有更好的熱傳導性，電 導率。通過襯底轉移技術將外延層從襯底20轉移至60上後，可以在大功率應用的條件下保持良好的熱穩定性和可靠性，其中該支撐襯底的材料為銅、矽或陶瓷。實施例本發明提供一種應用石墨烯薄膜作為新型載流子注入層的發光二極體，包括如下步驟I、在藍寶石襯底20上依次外延生長0. Iiim厚的GaN緩衝層、2 iim厚非摻雜GaN、2 u m厚的重摻雜Si的N型GaN電子注入層30、8對量子阱GaN/InGaN發光層31 (總厚度為
0.15 u m)；2、把製備好的石墨烯薄膜40貼敷於外延結構表面，並置於濃硝酸蒸汽中I分鐘，之後真空退火3分鐘；3、將藍寶石襯底20背面拋光後，在P型石墨烯薄膜40上蒸鍍一層鎳(Ni)/銀(Ag) / 鉬(Pt) / 金(Au) (0. 5/50/50/400nm)金屬反射鏡 50，然後放入 2mol/L 的硫酸、CuS04電鍍液裡、在0. 5A電流強度下電鍍8個小時，從而獲得200 ii m厚的Cu支撐襯底60，後經機械拋光將厚度降至460 V- m ；4、利用雷射剝離技術，將藍寶石襯底20與GaN外延材料分解開，並利用ICP刻蝕工藝將0. I ii m厚的GaN緩衝層及2 y m厚的非摻雜GaN刻蝕掉，露出重摻雜Si的n型GaN電子注入層30。5、經過光刻、電子束蒸發等工藝製備鋁(Al)/鈦(Ti)/金(Au) (400/50/400nm)N型金屬電極51，使得N型金屬電極51部分與N型GaN電子注入層30接觸。以上所述，僅為本發明中的具體實施方式
，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術範圍內，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求
1.一種應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，包括 一襯底； 一載流子注入層，其形成於襯底上； 一發光層，其製作在載流子注入層上； 一石墨烯薄膜，其製作在發光層上； 一上金屬電極，其製作於石墨烯薄膜上。
一下金屬電極，其製作於載流子注入層上； 一支撐襯底，其製作於金屬電極上。
2.根據權利要求I所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中該載流子注入層的材料為氮化銦鎵、氮化鋁鎵或氧化鋅。
3.根據權利要求2所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中該載流子注入層的導電類型為N型或P型。
4.根據權利要求3所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中所述的製作載流子注入層，是採用金屬有機物化學汽相澱積或分子束外延製備。
5.根據權利要求I所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中該發光層為多周期結構，周期數為1-20。
6.根據權利要求I所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中所述的製備石墨烯薄膜是採用撕膠帶法、化學汽相澱積法或熱氧化法。
7.根據權利要求6所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中所述石墨烯薄膜的導電類型為N型或P型。
8.根據權利要求7所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中所述石墨烯薄膜的材料為單層或多層石墨烯薄膜。
9.根據權利要求I所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中所述製作下金屬電極和上金屬電極是採用光刻、刻蝕、沉積、腐蝕或蒸鍍。
10.根據權利要求I所述的應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，其中支撐襯底的材料為銅、矽或陶瓷。
全文摘要
一種應用石墨烯薄膜作為載流子注入層的垂直結構發光二極體，包括一襯底；一下金屬電極，其製作於襯底上；一載流子注入層，其形成於金屬電極上；一發光層，其製作在載流子注入層上；一石墨烯薄膜，其製作在發光層上；一上金屬電極，其製作於石墨烯薄膜上。本發明是通過使用石墨烯薄膜作為新型載流子注入層的方法，提高空穴注入，減小電子注入層厚度，降低成本。
文檔編號H01L33/14GK102751407SQ20121021705
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月27日 優先權日2012年6月27日
發明者伊曉燕, 張逸韻, 汪煉成, 王國宏, 馬駿 申請人:中國科學院半導體研究所