[發(fā)明專利]一種氮化鎵上生長石墨烯提高LED透明導電及散熱性的方法

有效

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• 申請日: 2019-09-18
• 公開（公告）號: CN110611017B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設計）人: 孫捷;熊訪竹;郭偉玲;董毅博;樊星;苑營闊
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: H01L33/00
• 分類號: H01L33/00;H01L33/44;H01L33/62;H01L33/64
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開了一種氮化鎵上生長石墨烯提高LED透明導電及散熱性的方法，通過在藍寶石基的藍光LED外延片的p型氮化鎵表面淀積超薄鉑做催化劑，選用乙炔作為碳源，利用等離子增強技術，低溫環(huán)境中在p型氮化鎵表面直接生長石墨烯。最后，利用超薄鉑與石墨烯共同組成的透明導電層來增強LED表面的電流擴展和散熱。該發(fā)明中，石墨烯在LED表面直接生長得到，無需轉(zhuǎn)移，器件制備效率大幅提高，工藝流程大幅簡化。該發(fā)明有望推動石墨烯透明導電薄膜在藍光LED襯底上的商業(yè)應用。

技術領域

本發(fā)明屬于半導體技術領域，具體涉及到石墨烯的直接生長以及一種利用在氮化鎵上直接生長石墨烯做透明導電及散熱層以提高氮化鎵基LED器件性能的方法。

背景技術

作為代表性的氮化物半導體材料，氮化鎵(GaN)作為發(fā)光的電子設備二極管(LED)的重要材料引起了人們的極大關注，但是在p-GaN上制作歐姆接觸電極比較困難，所以,為了有效地擴展電流、降低正向工作電壓,同時不影響正面出光,在p-GaN上需要附加一個透明導電層。目前在光電器件中,主流透明電極材料是氧化銦錫(ITO)。然而其中的銦元素在地殼中含量非常有限,成本很高.此外,ITO還有透明波段狹窄、不柔韌、化學穩(wěn)定性差等缺點。而自2004年以來,石墨烯以其高透明度、高電導率、高遷移率、高熱導率和高機械強度等優(yōu)良的性能,在納米電子學、能源、化學和生物醫(yī)學等領域顯示出巨大的應用潛力，石墨烯從紫外至近紅外都廣譜透明，且理論上每增加一層,透明度僅下降2.3％，此外，石墨烯制備工藝較簡單,成本廉價。因此,石墨烯很有可能成為ITO的替代品。

目前傳統(tǒng)工藝是將在金屬襯底上生長的石墨烯濕法轉(zhuǎn)移到新的襯底上,這個過程復雜而繁瑣,并且經(jīng)常導致石墨烯和氮化鎵之間的非理想界面,如金屬殘留物、氧化物、孔洞和皺紋。目前,很少有人在鉑上研究生長石墨烯。而鉑比銅對碳氫化合物分解和隨后的石墨烯形成具有更強的催化能力。此外，鉑的功函數(shù)特別大，是已知的與氮化鎵接觸最好的金屬之一，因此,我們使用超薄層鉑作為GaN/藍寶石基板上石墨烯直接生長的催化劑。該方法避免了轉(zhuǎn)移過程中的一系列問題，可重復性更高，過程更簡易。因為Pt的厚度極薄，生長過程中又發(fā)生蒸發(fā)、團聚，所以也不會影響LED的出光。同時,利用等離子體輔助增強和冷壁垂直化學氣相沉積的生長環(huán)境,不僅降低了生長溫度,保護了氮化石墨烯的界面,而且加快了生長,提高了增長效率,并降低增長成本。此外,通過測量電、光、熱性能,我們還發(fā)現(xiàn),添加石墨烯不僅改善了LED發(fā)光電流,降低了開啟電壓和發(fā)光功耗,而且在散熱上也具有明顯優(yōu)勢,對提高器件的可靠性、耐久性和使用壽命具有廣闊的前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的作用是提供了一種利用在氮化鎵上直接生長石墨烯做透明導電及散熱層以提高氮化鎵基LED器件性能的方法，該方法在p型氮化鎵上利用薄層鉑做催化劑低溫快速地直接生長石墨烯，避免了傳統(tǒng)工藝中轉(zhuǎn)移的一系列問題，并成功制備高亮度，低功耗，散熱好的藍光LED器件。

本發(fā)明采用的技術方案是一種氮化鎵上生長石墨烯提高LED透明導電及散熱性的方法，該方法的實施過程如下，

步驟1：取外延結構圖1，氮化鎵發(fā)光二極管芯片外延結構包括藍寶石襯底(1)、u型氮化鎵層(2)、n型氮化鎵層(3)、有源層(4)和p型氮化鎵層(5)，用丙酮煮沸清洗兩遍去除氮化鎵發(fā)光二極管芯片外延結構表面的有機物雜質(zhì)，再用乙醇煮沸清洗兩遍去除表面丙酮，去離子水沖洗30遍去除表面乙醇，再用氮氣槍吹干氮化鎵發(fā)光二極管芯片外延結構表面；

步驟2：在氮化鎵發(fā)光二極管芯片外延結構的p型氮化鎵(5)上濺射薄層2nm鉑(6)做催化劑直接生長透明導電層的石墨烯(7)。

步驟3：在生長有石墨烯的襯底表面沉積一層金屬薄膜，之后利用光刻工藝將金屬薄膜腐蝕出圖形。最后，用圖形化后的金屬薄膜作為掩膜，對襯底進行干法刻蝕，依次刻蝕掉沒有金屬掩膜區(qū)域的石墨烯(7)、鉑(6)、p型氮化鎵(5)、有源層(4)，最終露出n型氮化鎵層。金屬掩膜區(qū)域的材料是鎳、鈷或鎳銅合金等常見的金屬掩膜材料；