[发明专利]一种石墨烯结构的LED芯片结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯结构的LED芯片结构及其制备方法，属半导体外延和芯片技术领域。

背景技术

随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出。LED具有高光效、低电耗、长寿命、高安全性、高环保等优势，是一种理想的照明方式，越来越多国家的重视。

白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦，荧光灯50～70流明/瓦，钠灯90～140流明/瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明/瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光LED单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。平均寿命达10万小时，可以大大降低灯具的维护费用。发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全触摸，能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。同时，LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和维护。

开展LED相关研究、发展照明产业对国家能源的可持续发展具有非常重要的意义。目前，LED照明面临的主要问题为电光转换效率不够高，还有较大提升空间，可靠性较差的问题，尚不能满足大规模民用的需求。P-GaN层起形成PN结和电流扩展的作用，优化P-GaN层结构与工艺是提高LED发光效率和均匀性的重要技术方向之一。目前，大多采用交叉电极等方法减小电流横向电阻，导致电流扩展困难所导致的横向发光效率不均匀。但是，不透明的金属电极会反射和吸收出射光线，从而降低LED有效出光面积，进而降低亮度。为了减少电极对出射光的吸收和反射，萃取更多的光能，透明电极的相关研究成为LED芯片技术领域热点之一。

石墨烯是目前已知最薄(单原子层厚度约0.34nm)、却最坚硬的纳米材料(杨氏模量1TPa，固有强度130GPa))几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光，导热系数高达5300W/m··K，室温电子迁移率大于15000cm²/V·s，均高于碳纳米管和金刚石，电阻率仅为10^-6Ω·cm，为目前世上电阻率最小的材料。同时，石墨烯拥有极高的气密性，任何气体完全不能透过。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，远高于硅和铜等传统的半导体和导体。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。同时，它的高透光性和良好的导电性也更加适合作为透明导电层。

发明内容

本发明利用石墨烯材料的高电导率和高透光性，可以有效的缓解目前LED芯片存在的金属电极遮挡面积占芯片有效出光面积较大，P-GaN横向扩展困难等问题。

本发明具体方案如下，

一种石墨烯结构的LED，包括有衬底1、成核层2、非掺杂GaN层3、N型掺杂GaN层4、InGaN/GaN多量子阱结构5、P型掺杂石墨烯层6、P电极7、N电极8；其中，所述衬底1、成核层2、非掺杂GaN层3、N型掺杂GaN层4、InGaN/GaN多量子阱结构5、P型掺杂石墨烯层6、P电极7从下至上依次层叠设置；所述P电极7对应设置在P型掺杂石墨烯层6上；对所述外延片进行刻蚀，在N型掺杂GaN层4上制作N电极8。

外延生长多量子阱结构后，终止生长，采用P型石墨烯代替传统的P型GaN外延层。

所述衬底1可为蓝宝石、Si和SiC等。

所述成核层2可为低温GaN层、高温GaN、高温AlN层及其组成的多晶格结构层。

所述P电池7和N电极8的金属为Ti/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Au、Ni、Ni/Au、Cr/Au、Pd、Ti/Pd/Au、Pd/Au中的一种。

所述外延片可为多种材料体系，如GaAs、GaN、ZnO等。

InGaN/GaN多量子阱结构为5-20个周期，根据需要可以调整不同的生长温度以及掺杂浓度。

一种石墨烯结构的LED的制备方法如下，