本發(fā)明涉及光電子制造技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種發(fā)光二極管的外延片及制備方法。
背景技術(shù):
LED(Light Emitting Diode,發(fā)光二極管)具有體積小、壽命長、功耗低等優(yōu)點(diǎn),目前被廣泛應(yīng)用于汽車信號燈、交通信號燈、顯示屏以及照明設(shè)備。
現(xiàn)有的LED主要包括襯底、成核層、未摻雜GaN層、n型層、多量子阱層、p型層和導(dǎo)電層。
目前在制作外延片時(shí),導(dǎo)電層通常采用ITO(Indium tin oxide,氧化銦錫)制成,導(dǎo)電層需要有足夠的厚度以降低橫向電阻,利于電流在導(dǎo)電層內(nèi)的橫向擴(kuò)展,但是隨著厚度的增加,其透光性會下降,從而導(dǎo)致LED的亮度降低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了提高LED的亮度,本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片的制備方法及外延片。所述技術(shù)方案如下:
一方面,本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片的制備方法,所述制備方法包括:
提供一襯底;
在所述襯底上生長成核層;
在所述成核層上生長未摻雜GaN層;
在所述未摻雜GaN層上生長n型GaN層;
在所述n型GaN層上生長多量子阱層;
在所述多量子阱層上生長p型GaN層;
在所述p型GaN層上生長石墨烯層;
在所述石墨烯層上生長ZnO納米錐層;
在所述ZnO納米錐層上生長銀納米顆粒層。
可選地,所述在所述p型GaN層上生長石墨烯層,包括:
采用化學(xué)氣相沉積法在金屬基板上制備石墨烯薄膜;
將所述石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至所述p型GaN層上,形成所述石墨烯層。
可選地,所述將所述石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至所述p型GaN層上,形成所述石墨烯層,包括:
在所述石墨烯薄膜上涂覆第一層聚甲基丙烯酸甲酯;
腐蝕所述金屬基板,將所述石墨烯薄膜與所述金屬基板分離;
通過所述第一層聚甲基丙烯酸甲酯將所述石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至所述p型GaN層上,其中,所述石墨烯薄膜位于所述第一層聚甲基丙烯酸甲酯和所述p型GaN層之間;
在所述第一層聚甲基丙烯酸甲酯上涂覆第二層聚甲基丙烯酸甲酯,將石墨烯薄膜緊密貼合在所述p型GaN層;
加熱所述第一層聚甲基丙烯酸甲酯和所述第二層聚甲基丙烯酸甲酯,將所述第一層聚甲基丙烯酸甲酯與所述第二層聚甲基丙烯酸甲酯緊密黏合在一起;
去除所述第二層聚甲基丙烯酸甲酯和所述第一層聚甲基丙烯酸甲酯。
優(yōu)選地,所述在所述石墨烯層上生長ZnO納米錐層,包括:
采用水熱法在所述石墨烯層上生長所述ZnO納米錐層。
優(yōu)選地,所述采用水熱法在所述石墨烯層上生長所述ZnO納米錐層,包括:
采用磁控濺射法在所述石墨烯層上生成一層ZnO種子層;
在所述ZnO種子層上生長ZnO納米錐,形成所述ZnO納米錐層。
可選地,所述在所述ZnO納米錐層上生長銀納米顆粒層,包括:
采用磁控濺射法在所述ZnO納米錐層上沉積一層銀納米顆粒,形成所述銀納米顆粒層。
可選地,在所述ZnO納米錐層上生長銀納米顆粒層之后,所述制備方法還包括:
去除部分的所述銀納米顆粒層和所述ZnO納米錐層,露出部分的所述石墨烯層;
去除部分的所述多量子阱層和所述p型GaN層,露出部分的所述n型GaN層;
在露出的所述石墨烯層上制備p電極,在露出的所述n型GaN層上制備n電極。
另一方面,本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種發(fā)光二極管的外延片,所述外延片包括襯底、以及依次層疊在所述襯底上的成核層、未摻雜GaN層、n型GaN層、多量子阱層、p型GaN層,p型GaN層上設(shè)有石墨烯層,所述石墨烯層上設(shè)有ZnO納米錐層,所述ZnO納米錐層上設(shè)有銀納米顆粒層。
可選地,所述銀納米顆粒層和所述ZnO納米錐層的總厚度為150~300nm。
優(yōu)選地,所述外延片還包括電子阻擋層,所述電子阻擋層層疊在所述多量子阱層和所述p型GaN層之間。
本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過在襯底上依次生長成核層、未摻雜GaN層、n型GaN層、多量子阱層、p型GaN層、石墨烯層、ZnO納米錐層和銀納米顆粒層,石墨烯具有很高的光透性,可以降低對光的吸收,ZnO納米錐層的幾何形狀可以減少全反射,提高出光率,通過在ZnO納米錐層表面設(shè)置銀納米顆粒層,在ZnO納米錐層和銀納米顆粒層之間產(chǎn)生表面等離激元,表面等離激元與LED發(fā)出的光產(chǎn)生共振,從而提高了發(fā)光效率,使LED的亮度得到提高。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案,下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管芯片的制備方法的流程圖;
圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種發(fā)光二極管芯片的制備方法的流程圖;
圖3~圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移過程示意圖;
圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚,下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)光二極管的外延片的制備方法,圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管芯片的制備方法的流程圖,如圖1所示,該方法包括:
S11:提供一襯底。
在本實(shí)施例中,襯底可以選用藍(lán)寶石襯底。
S12:在襯底上生長成核層。
S13:在成核層上生長未摻雜GaN層。
S14:在未摻雜GaN層上生長n型GaN層。
S15:在n型GaN層上生長多量子阱層。
S16:在多量子阱層上生長p型GaN層。
S17:在p型GaN層上生長石墨烯層。
S18:在石墨烯層上生長ZnO納米錐層。
S19:在ZnO納米錐層上生長銀納米顆粒層。
ZnO納米錐層包括陣列排布的多個(gè)ZnO納米錐,每個(gè)ZnO納米錐呈圓錐狀,且ZnO納米錐的尖端指向遠(yuǎn)離p型GaN層的一側(cè)。
本發(fā)明實(shí)施例通過在襯底上依次生長成核層、未摻雜GaN層、n型GaN層、多量子阱層、p型GaN層、石墨烯層、ZnO納米錐層和銀納米顆粒層,石墨烯具有很高的光透性,可以降低對光的吸收,ZnO納米錐層的幾何形狀可以減少全反射,提高出光率,通過在ZnO納米錐層表面設(shè)置銀納米顆粒層,在ZnO納米錐層和銀納米顆粒層之間產(chǎn)生表面等離激元,表面等離激元與LED發(fā)出的光產(chǎn)生共振,從而提高了發(fā)光效率,使LED的亮度得到提高。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種發(fā)光二極管芯片的制備方法的流程圖,如圖2所示,該方法包括:
S21:提供一襯底。
在本實(shí)施例中,襯底可以選用藍(lán)寶石襯底。
具體地,可以將藍(lán)寶石襯底在MOCVD(Meta1Organic Chemical Vapor Deposition,金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀)反應(yīng)腔中加熱至1000~1100℃,在氫氣氣氛里對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行退火處理8分鐘,以對襯底表面進(jìn)行清理,然后對藍(lán)寶石襯底進(jìn)行氮化處理。
S22:在襯底上外延生長成核層。
優(yōu)選地,成核層的生長溫度可以為400~600℃,成核層的生長溫度過高或過低都會影響成核層的質(zhì)量,從而導(dǎo)致最終的外延片晶體質(zhì)量差。
可選地,成核層的生長壓力可以為400~600Torr。
實(shí)現(xiàn)時(shí),可以將反應(yīng)腔的溫度下降至400~600℃,壓力調(diào)節(jié)為400~600Torr,進(jìn)行成核層的生長。
進(jìn)一步地,生長完成核層后,進(jìn)行原位退火處理,退火溫度可以為1000~1200℃,退火時(shí)間為5~10分鐘。
可選地,成核層的厚度為15~35nm。
S23:在成核層上外延生長未摻雜GaN層。
可選地,未摻雜GaN層的生長溫度為1000~1100℃。
實(shí)現(xiàn)時(shí),可以將反應(yīng)腔的溫度調(diào)節(jié)至1000~1100℃,壓力調(diào)節(jié)至100~500Torr,進(jìn)行未摻雜GaN層的生長。
可選地,未摻雜GaN層的厚度為1~5μm。
S24:在未摻雜GaN層上外延生長n型GaN層。
可選時(shí),n型GaN層的生長溫度為1000~1200℃。
實(shí)現(xiàn)時(shí),將反應(yīng)腔的溫度調(diào)節(jié)至1000~1200℃,壓力調(diào)節(jié)至100~500Torr,進(jìn)行n型GaN層的生長。
可選地,n型GaN層的厚度為1~5μm。
優(yōu)選地,n型GaN層中摻雜的Si的濃度為1×1018~1×1019cm-3,摻雜濃度過低會使得載流子濃度過小,摻雜濃度過高會降低晶格質(zhì)量。
S25:在n型GaN層上外延生長多量子阱層。
可選地,多量子阱層為交替生長的InGaN層和GaN層。
進(jìn)一步地,InGaN層和GaN層交替生長的周期數(shù)可以為5~11。其中,InGaN層的厚度可以為2~3nm,GaN層的厚度可以為9~20nm。
具體地,在生長InGaN層時(shí),將反應(yīng)腔的溫度調(diào)節(jié)至720~829℃,壓力調(diào)節(jié)至100~500Torr,在生長GaN層時(shí),將反應(yīng)腔的溫度調(diào)節(jié)至850~959℃,壓力調(diào)節(jié)至100~500Torr。
S26:在多量子阱層上外延生長電子阻擋層。
可選地,電子阻擋層為p型AlyGa1-yN層,其中0.1<y<0.5。
進(jìn)一步地,電子阻擋層的厚度可以為20~100nm,電子阻擋層過薄則無法阻擋電子,過厚則會降低出光率,使得LED亮度降低。
實(shí)現(xiàn)時(shí),將反應(yīng)腔的溫度調(diào)節(jié)至200~1000℃,壓力調(diào)節(jié)至200~800Torr,進(jìn)行電子阻擋層的生長。
S27:在電子阻擋層上外延生長p型GaN層。
實(shí)現(xiàn)時(shí),可以將反應(yīng)腔的溫度調(diào)節(jié)至600~1000℃,壓力調(diào)節(jié)至100~300Torr,進(jìn)行p型GaN層的生長。
可選地,p型GaN層的厚度可以為100~800nm。
進(jìn)一步地,在完成p型GaN層之后,調(diào)節(jié)反應(yīng)腔的溫度至650~850℃,在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行退火,退火時(shí)間為5~15分鐘。
在完成退火后,將反應(yīng)腔的溫度逐漸降低至室溫。
S28:在p型GaN層上生長石墨烯層。
具體地,可以采用CVD(Chemical Vapor Deposition,化學(xué)氣相沉積)法在金屬基板上制備石墨烯薄膜。
可選地,金屬基板可以為鎳金屬基板。
將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至p型GaN層上,以形成石墨烯層。
實(shí)現(xiàn)時(shí),在鎳金屬基板上形成石墨烯薄膜后,可以采用PMMA(Polymethyl Methacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至p型GaN層上以形成石墨烯層。
具體地,圖3~圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移過程示意圖,結(jié)合圖3~圖7,可以采用以下方法轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜:
如圖3所示,先在石墨烯薄膜上涂覆第一層PMMA,由PMMA作為轉(zhuǎn)移載體;
如圖4所示,腐蝕金屬基板,以將石墨烯薄膜與金屬基板分離;
如圖5所示,通過第一層PMMA將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移至p型GaN層上,其中,第一層PMMA和p型GaN層分別位于石墨烯薄膜相反的兩側(cè);
如圖6所示,在第一層PMMA上涂覆第二層PMMA,并加熱,以確保石墨烯薄膜與p型GaN層緊密結(jié)合;
如圖7所示,去除第二層PMMA和第一層PMMA。
可選地,在第一層PMMA上涂覆第二層PMMA后的加熱溫度可以為105℃,加熱時(shí)可以維持溫度在105℃數(shù)分鐘,以確保石墨烯薄膜與p型GaN層緊密結(jié)合。
實(shí)現(xiàn)時(shí),可以采用丙酮溶液溶解PMMA,使得石墨烯薄膜與PMMA分離。
此外,在溶解PMMA時(shí),可以進(jìn)行加熱,以提高溶解速度,再完成PMMA的溶解后,對外延片進(jìn)行清洗,并在室溫下晾干,以完成石墨烯層的制備。
S29:在石墨烯層上生長ZnO納米錐層。
實(shí)現(xiàn)時(shí),可以采用水熱法制備ZnO納米錐層。
具體地,步驟S29可以包括:
采用磁控濺射法在石墨烯層上生成一層致密的ZnO種子層;
在ZnO種子層上生長ZnO納米錐,形成ZnO納米錐層,
待外延片自然冷卻到室溫后,采用去離子水清洗外延片,并在氮?dú)獗Wo(hù)下干燥外延片,完成ZnO納米錐層的制備。
其中,ZnO種子層的厚度可以為50~150nm。其中,在ZnO種子層上生長ZnO納米錐可以在高壓釜中進(jìn)行,高壓釜中的反應(yīng)物可以為硝酸鋅和六亞甲基四胺,高壓釜中的溫度可以控制在95℃。
可選地,高壓釜可以為聚四氟乙烯高壓釜,其內(nèi)襯為聚四氟乙烯材質(zhì)。
S30:在ZnO納米錐層上生長銀納米顆粒層。
實(shí)現(xiàn)時(shí),可以采用磁控濺射法在ZnO納米錐層上沉積一層銀納米顆粒,以形成銀納米顆粒層。
可選地,銀納米顆粒層和ZnO納米錐層的總厚度可以為150~300nm。
S31:制備電極。
具體地,步驟S29可以包括:
去除部分銀納米顆粒層和ZnO納米錐層,以露出部分石墨烯層。
去除部分多量子阱層和p型GaN層,以露出部分n型GaN層。
在露出的部分石墨烯層上制備p電極,在露出的部分n型GaN層上制備n電極,以完成電極的制備。
本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種發(fā)光二極管的外延片,圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖8所示,該外延片包括襯底11、以及依次外延層疊在襯底11上的成核層12、未摻雜GaN層13、n型GaN層14、多量子阱層15、p型GaN層16,p型GaN層16上設(shè)有石墨烯層171,石墨烯層171上設(shè)有ZnO納米錐層172,ZnO納米錐層172上設(shè)有銀納米顆粒層173。
本發(fā)明實(shí)施例通過在襯底上依次生長成核層、未摻雜GaN層、n型GaN層、多量子阱層、p型GaN層、石墨烯層、ZnO納米錐層和銀納米顆粒層,石墨烯具有很高的光透性,可以降低對光的吸收,ZnO納米錐層的幾何形狀可以減少全反射,提高出光率,通過在ZnO納米錐層表面設(shè)置銀納米顆粒層,在ZnO納米錐層和銀納米顆粒層之間產(chǎn)生表面等離激元,表面等離激元與LED發(fā)出的光產(chǎn)生共振,從而提高了發(fā)光效率,使LED的亮度得到提高。
可選地,銀納米顆粒層和ZnO納米錐層的總厚度可以為150~300nm。
在完成外延片的制備后,可以進(jìn)行后續(xù)的加工工藝,以完成外延片的后續(xù)加工。
圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種發(fā)光二極管芯片的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖9所示,該外延片還可以包括電子阻擋層18,電子阻擋層18生長在多量子阱層15和p型GaN層16之間,電子阻擋層18可以阻礙反向漏電流,提高發(fā)光效率。
實(shí)現(xiàn)時(shí),電子阻擋層18為p型AlyGa1-yN層,其中0.1<y<0.5。
進(jìn)一步地,電子阻擋層18的厚度可以為20~100nm,電子阻擋層18過薄則無法阻擋電子,過厚則會降低透光率,使得LED亮度降低。
具體地,可以去除部分銀納米顆粒層173和ZnO納米錐層172,以露出部分石墨烯層171,并去除部分多量子阱層15、電子阻擋層18和p型GaN層16,以露出部分n型GaN層14;
在露出的部分石墨烯層171上制備p電極19,在露出的部分n型GaN層14上制備n電極20。
需要說明的是,圖8和圖9所示的外延片的結(jié)構(gòu)僅為示意,圖中所示的各結(jié)構(gòu)的尺寸及比例關(guān)系并不用以限制本發(fā)明。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。