基于绝缘衬底的纳米柱LED芯片及其制备方法与流程

本申请涉及照明技术领域，尤其涉及一种基于绝缘衬底的纳米柱led芯片制备方法。

背景技术：

近年来，gan纳米柱已经成为纳米光电子领域中的重要课题。由于同质衬底价格昂贵，一般采用异质外延的方法生长gan，而纳米柱因为其高的纵横比和大的表面积比，可以降低纳米柱上部的位错密度，缓解由晶格失配、热膨胀失配引起的应变，提高外延材料的晶体质量。此外，gan基纳米柱led，尤其是core-shell结构的纳米柱led，在固态照明也有着十分重要的意义和前景。据报道，与传统的平面led相比，三维结构的core-shell纳米柱led结构有源区面积大大增加且取向为非极性面，能够有效增加发光效率。与此同时，石墨烯作为一种二维材料，因为有着高的电导率、热导率以及机械强度和柔韧性而受到了越来越多的关注，在其上的范德华外延不需要满足生长材料与下面的2d材料之间的晶格失配，可降低由晶格失配产生的应力，降低缺陷密度，提高材料质量。与传统薄膜led结构相比，在石墨烯上直接生长gan纳米柱结构可以省去低温缓冲层工艺，节省工艺时间，且可以有效减小外延层的缺陷密度。

由于gan的六方结构，通常选择蓝宝石作为外延衬底，然而由于蓝宝石导电性较差，且在其上直接生长的纳米柱没有连续的n型层，导致n电极无法直接引出。而激光剥离等技术虽然可以将外延层从衬底剥离，但工艺繁杂，且涉及到后续的转移问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于，提供一种基于绝缘衬底的纳米柱led芯片及其制备方法，能以较低的成本和工艺难度，解决绝缘衬底上纳米柱n电极的引出问题。

(二)技术方案

本发明提供了一种基于绝缘衬底的纳米柱led芯片，包括：

绝缘衬底；

进一步的，绝缘衬底为蓝宝石衬底、石英或其他绝缘且能在其上范德华外延出氮化物材料的衬底。

石墨烯层，生长于该绝缘衬底上；

进一步的，石墨烯层为单层石墨烯或2-4层的石墨烯。

纳米柱led，间隔生长在石墨烯层上，该纳米柱led自衬底至上包括：n-gan层、多量子阱发光层和p-gan层；

进一步的，n-gan层为纳米柱led的主体部分；

多量子阱发光层为a1gan/gan或ingan/gan量子阱发光层；

p-gan层用于欧姆接触。

sog填充物，填充在纳米柱led的间隔及周围部分，用于隔离纳米柱led，避免短路；

氧化铟锡透明导电层，连接纳米柱led的p-gan层及sog填充物，实现电流扩展；

进一步的，氧化铟锡透明导电层及sog填充物共同作用完全包围纳米柱led。

以及，p/n电极，实现绝缘衬底上纳米柱led芯片制备。

进一步的p电极与氧化铟锡透明导电层相连，n电极与石墨烯相连。

进一步的，p/n电极为craltiau膜系。

本发明还提供了一种基于绝缘衬底的纳米柱led芯片的制备方法，包括：

在绝缘衬底上生长石墨烯；

在石墨烯上沉积一层sio2；

通过光刻和湿法腐蚀去除衬底上部分的sio2作为p区域，保留部分的sio2作为n区域；

在p区域衬底上外延生长纳米柱led；

腐蚀外延片n区域的sio2，暴露n区域的石墨烯；

外延片填充sog填充层，并通过刻蚀暴露纳米柱led的p型顶端；

在sog填充层上蒸镀氧化铟锡导电层，并光刻腐蚀n区域的氧化铟锡导电层；

去除n区域的sog填充层，暴露n区域的石墨烯；

制备p电极和n电极。

进一步的，纳米柱led的外延生长采用金属有机化学气相沉积(mocvd)的方法完成。

进一步的，去除n区域的sog填充层包括：

通过干法刻蚀掉部分厚度之后，再通过湿法腐蚀最终去除，以保留石墨烯的完整性。

(三)有益效果

本发明提供一种基于绝缘衬底的纳米柱led芯片及其制备方法，采用工业上可以量化生产的mocvd法外延氮化物薄膜，直接生长纳米柱gan基led，提供了一种不需要衬底剥离、发光层转移、二次键和的简单技术路线，将大幅提高生产效率，降低生产成本，为实现通用照明开辟了新道路。

同时，借助石墨烯导电层，实现了非连续纳米柱n型层的n电极的直接引出，并通过光刻工艺和湿法腐蚀技术，避免了激光剥离等复杂工艺以及干法刻蚀对石墨烯层的破坏。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于绝缘衬底的纳米柱led芯片结构示意图；

图2是本发明提供的实施例制备方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明提供的基于新型衬底的gan基垂直led结构示意图，结合图1所示，本发明一实施例提供了一种基于绝缘衬底的纳米柱led芯片，从下至上各层功能包括：

绝缘衬底；

一些实施例中，绝缘衬底为蓝宝石衬底、石英或其他绝缘且能在其上范德华外延出氮化物材料的衬底。

本实施例中，衬底1，可以但不局限于蓝宝石衬底，石英等其他绝缘且能在其上范德华外延出高质量氮化物材料的衬底同样适用。

石墨烯层，生长于该绝缘衬底上；

一些实施例中，石墨烯层为单层石墨烯或2-4层的石墨烯。

本实施例中，石墨烯层2，可以是单层石墨烯，也可以是2-4层的多层石墨烯。

纳米柱led，间隔生长在石墨烯层上，该纳米柱led自衬底至上包括：n-gan层、多量子阱发光层和p-gan层；

一些实施例中，n-gan层为纳米柱led的主体部分；

多量子阱发光层为algan/gan或ingan/gan量子阱发光层；

p-gan层用于欧姆接触。

本实施例中，纳米柱led包括：

n-gan纳米柱3，纳米柱的主体部分；

多量子阱发光层4，可以为a1gan/gan、ingan/gan等适合led结构的量子阱发光层；

p-gan层5，用于欧姆接触。

sog填充物，填充在纳米柱led的间隔及周围部分，用于隔离纳米柱led，避免短路；

氧化铟锡透明导电层，连接纳米柱led的p-gan层及sog填充物，实现电流扩展；

一些实施例中，氧化铟锡透明导电层及sog填充物共同作用完全包围纳米柱led。

本实施例中，sog填充物6，用于隔离纳米柱，避免短路。

本实施例中，氧化铟锡透明导电层7，用于n区域的电流扩展。

以及，p/n电极，实现绝缘衬底上纳米柱led芯片制备。

一些实施例中，p电极与氧化铟锡透明导电层相连，n电极与石墨烯相连。

一些实施例中，p/n电极为craltiau膜系。

本实施例中，p/n电极8，可以但不局限于craltiau等膜系。

本发明另一实施例还提供了一种基于绝缘衬底的纳米柱led芯片的制备方法，请参照图2，包括：

步骤1：在绝缘衬底上生长石墨烯；

本实施例中，在cu箔上cvd生长的石墨烯上旋涂pmma并在120℃的环境下固化15min，固化后在20％浓度的fecl3溶液中浸泡4小时，待cu箔腐蚀完之后转移到干净的蓝宝石衬底，自然晾干后去掉pmma。

步骤2：在石墨烯上沉积一层sio2；

本实施例中，通过pecvd在衬底表面沉积一层sio2，具体厚度为300nm。

步骤3：通过光刻和湿法腐蚀去除衬底上部分的sio2作为p区域，保留部分的sio2作为n区域；

本实施例中，采用台面版进行光刻工艺，光刻之后p电极区域sio2暴露，n电极区域sio2被光刻胶覆盖；

通过boe湿法腐蚀p电极区域的sio2，保留n电极区域的sio2，并去除光刻胶。

步骤4：在p区域衬底上外延生长纳米柱led；

一些实施例中，纳米柱led的外延生长采用金属有机化学气相沉积的方法完成。

本实施例中，mocvd外延生长gan纳米柱led。通过algan成核岛，采用si掺杂，生长n-gan纳米柱，其后生长al0.11ga0.89n/al0.04ga0.96n多量子阱发光层，最后生长一层p-gan。

步骤5：腐蚀外延片n区域的sio2，暴露n区域的石墨烯；

本实施例中，通过boe湿法腐蚀n电极区域的sio2，暴露n电极石墨烯。

步骤6：外延片填充sog填充层，并通过刻蚀暴露纳米柱led的p型顶端；

本实施例中，填充sog以隔离纳米柱，具体实验条件为：在3000rpm转速下旋涂40s，200℃下热烘60s固化，之后在400℃下，n2氛围中，退火30min。最后通过干法刻蚀暴露纳米柱p型顶端。

步骤7：在sog填充层上蒸镀氧化铟锡导电层，并光刻腐蚀n区域的ito(氧化铟锡导电层)；

本实施例中，蒸镀ito做透明导电层，具体实验条件为：220℃下蒸镀280nm；

光刻n台面，使p电极区域被光刻胶覆盖，n电极区域ito暴露；

湿法腐蚀n电极区域的ito。

步骤8：去除n区域的sog填充层，暴露n区域的石墨烯；

一些实施例中，去除n区域的sog填充层包括：

通过干法刻蚀掉部分厚度之后，再通过湿法腐蚀最终去除，以保留石墨烯的完整性。

本实施例中，两步刻蚀去除n电极区域的sog。先通过干法刻蚀刻掉一定厚度的sog之后，再湿法腐蚀剩余的sog，暴露n电极区域的石墨烯层，去除光刻胶。

步骤9：制备p电极和n电极；

本实施例中，在p电极区域的ito导电层和n电极区域的石墨烯导电层上分别制备p电极和n电极，完成器件制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。