CN101771119B - 一种氧化锌基透明电极发光二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化锌基透明电发光二极管及其制作方法。本发光二极管包括：蓝宝石衬底、缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓、氧化锌基透明电流扩展层、n型金属电极(PAD)、p型金属电极(PAD)，其中缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓是在MOCVD中依次生长完毕；利用干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，利用光刻胶掩膜的方法是利用磁控溅射方法沉积氧化锌基透明电流扩展层，然后再利用热蒸发或电子束蒸发等薄膜沉积方法生长金属电极。该芯片制备工艺先进行p型氮化镓的刻蚀，再进行氧化锌透明电极的沉积，克服了氧化锌与氮化镓不同材料需分别刻蚀的问题。而且由于无须刻蚀氧化锌电极层，节约了工艺时间，简化了生产工艺，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化锌基透明电极发光二极管及其制造方法，该发明颠倒常规的LED芯片工艺，先进行氮化镓外延层刻蚀，后通过磁控溅射沉积氧化锌透明导电薄膜，热蒸发或者电子束蒸发沉积金属电极制备大功率LED芯片。该工艺方法，克服了氧化锌与氮化镓不同材料需分别刻蚀的问题。而且由于无须刻蚀氧化锌电极层，节约了工艺时间，简化了生产工艺，提高了生产效率。
背景技术
近年来，以GaN为代表的III族氮化物的发展异常迅速，成为半导体领域研究和开发的新热点。发光二极管(LED)与其他一些光源相比，具有寿命长、可靠性高、体积小、功耗低、响应速度快、易于调制和集成等优点，已被广泛应用于信息显示、图象处理、办公自动化、消费电子产品和各类指示光源，发展成现代光电子器件的一个重要分支。
理论上LED的发光效能可以高达200lm/W以上，而现有的白光LED则只有100lm/W左右，与节能型荧光灯相比还有一定差距；而且其价格与传统光源相比也有很大的劣势。提高LED的发光效率的途径主要有两种：1)提高LED芯片的内量子效率；2)提高LED芯片的外量子效率。目前，超高亮度LED的内量子发光效率已经有非常大的改善，最高已经达到80％，进一步改善的空间不大。因此提高LED芯片的外量子效率是提高LED总发光效率的关键。而传统结构GaN基LED由于全反射和吸收等原因，光提取效率只有百分之几，提高空间很大。同时LED芯片发热也影响着大功率LED的质量和使用寿命。
用透明电极取代Ni/Au是提高LED芯片出光效率行之有效的方法。目前，市场上主流的透明电极是氧化铟锡(ITO)。GaN基白光LED中用ITO替代Ni/Au作为P型电极芯片的亮度要比采用通用电极的芯片高20％-30％。但是，随着液晶显示器和LED等电子行业的发展，ITO的需求量越来越大；而ITO的主要元素铟存量却越来越少，导致ITO价格较高。因此，人们急需一种可以替代ITO做透明导电薄膜的材料。氧化锌材料具有和ITO相比拟的优越性：透明、导电、易刻蚀等，且与GaN晶格失配较小，资源丰富，价格低廉，制备容易。有研究表明采用ZnO透明电极的发光二极管比采用金属和ITO电极的二极管在出光效率上可以分别提高80％和30％。因此，氧化锌电极成为最有希望代替ITO的透明导电材料之一。
传统LED芯片工艺流程是先镀透明电极层，再进行透明电极图形光刻。该工艺复杂，耗时长。如果采用先干法刻蚀外延层再进行透明电极沉积，将极大的简化工艺流程，提高生产率。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种氧化锌基透明电极发光二极管及其制造方法，本发光二极管芯片提高了大功率发光二极管(LED)的出光效率，简化了生产工艺，提高了生产效率。
为达到上述目的，本发明的构思是：针对当前LED存在的铟资源紧缺、铟的有毒性、工艺复杂等问题，提出采用透过率高、掺杂导电性好、资源丰富的氧化锌作为电流扩展层，同时通过工艺优化，即先进行外延片的干法刻蚀再沉积透明电极，解决了氧化锌电极应用于LED的工艺集成问题。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种氧化锌基透明电极发光二极管，包括蓝宝石衬底、缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓、透明电极、n型金属电极(PAD)、p型金属电极(PAD)。其特征在于所述缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓是在MOCVD中依次生长完毕；所述透明电极是氧化锌基透明导电薄膜，材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In；所述n型金属电极(PAD)是金属复合电极，该金属复合电极是Ti/Al或Cr/Pt/Au复合电极；所述n型金属电极(PAD)是具有如下特定形状：处于芯片对角上的圆台柱形；所述p型金属电极(PAD)是金属复合电极，该金属复合电极是Ni/Au或Cr/Pt/Au复合电极；所述p型金属电极(PAD)是具有如下特定形状的：为小圆台形，或呈对角线分布的多交叉枝形，或呈对角线分布的工字形。上述的透明电极是氧化锌基透明导电薄膜，材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In。
一种用于制作上述氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于工艺步骤如下：
1)用MOCVD的方法在衬底上依次缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓；
2)对外延片进行镁激活退火处理；
3)通过利用ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，制备出所需芯片结构；
4)浮去光刻胶，并使用NaOH或者HF或者王水等化学试剂对外延片进行表面处理；
5)通过磁控溅射方法，沉积氧化锌透明导电薄膜；
6)先浮去光刻胶，再对外延片进行退火处理，一方面降低氧化锌与氮化镓之间的接触电阻，一方面修复刻蚀损伤；
7)通过光刻胶或者金属板掩膜，利用热蒸发或电子束蒸发的方法沉积n型金属电极(PAD)；
8)通过光刻胶或者金属板掩膜，利用热蒸发或电子束蒸发的方法沉积p型金属电极(PAD)；
9)再次退火处理，进行金属电极的合金化；
10)分割外延片。
所述的氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于先利用ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，再用掩膜法沉积氧化锌基透明电流扩展层。此工艺省略了氧化锌透明电极的刻蚀步骤，简化了工艺，提高了工作效率。
本发明的氧化锌基透明电极发光二极管与传统镍金电极和掺锡氧化铟电极相比具有显而易见的优势：透过率增加，制备工艺简单，成本低廉，p型半导体层电流扩散更均匀。效率的提高、可靠性的提高和成本的降低都将推动LED照明的步伐。
附图说明
图1是本发明所使用LED外延片结构图
图2是本发明外延片干法刻蚀出芯片的形状，其中(a)是主视图，(b)是俯视图；
图3是本发明生长氧化锌透明导电层后结构图，其中(a)是主视图，(b)是俯视图；
图4是本发明生长n-pad后的结构图，其中(a)是主视图，(b)是俯视图；
图5是本发明的中心圆台柱形的p-pad的结构图；
图6为图5的俯视图；、
图7为本发明的对角线分布的多分叉枝形的p-pad的结构图；
图8为图7的俯视图；
图9为本发明的对角线分布的工字形的p-pad的结构图；
图10为图9的俯视图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：参见图1、图2、图3、图4，本氧化锌基透明电极发光二极管包括：蓝宝石衬底1、缓冲层2、本征层3、n型氮化镓4、量子阱5、p型氮化镓6、透明电极7、n型金属电极(PAD)8、p型金属电极(PAD)9。n-PAD是Ti/Al或Cr/Pt/Au复合电极，处于芯片对角上的圆台柱形；p-PAD是Ni/Au或Cr/Pt/Au复合电极，呈小圆台形，或呈对角线分布的多交叉枝形，或呈对角线分布的“工”字形。透明电极是氧化锌基透明导电薄膜，材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In；
实施例二：本氧化锌基透明电极发光二极管芯片制造方法如下：首先，用MOCVD的方法在衬底上依次缓冲层2、本征层3、n型氮化镓4、量子阱5、p型氮化镓6并进行镁激活退火处理；其次，利用光刻胶进行图形掩膜，通过ICP干法刻蚀的方法刻蚀外延片，将n型氮化镓暴露出来；浮去光刻胶，再次进行图形掩膜，通过磁控溅射方法，沉积氧化锌透明导电薄膜7；再次，通过热蒸发或电子束蒸发的方法沉积n型金属电极(PAD)8和p型金属电极(PAD)9；最后，进行金属电极的合金化退火处理并分割外延片。
Claims (3)
1.一种氧化锌基透明电极发光二极管，包括：蓝宝石衬底（1）、缓冲层（2）、本征层（3）、n型氮化镓（4）、量子阱（5）、p型氮化镓（6）、透明电极（7）、n型金属电极（8）、p型金属电极（9）,其特征在于所述缓冲层（2）、本征层（3）、n型氮化镓（4）、量子阱（5）、p型氮化镓（6）是在MOCVD中依次生长完毕；所述透明电极（7）是氧化锌基透明导电薄膜，材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In； 所述n型金属电极（8）是金属复合电极，该金属复合电极是Ti/Al或Cr/Pt/Au复合电极；所述n型金属电极（8）是具有如下特定形状：处于芯片对角上的圆台柱形；所述p型金属电极（9）是金属复合电极，该金属复合电极是Ni/Au或Cr/Pt/Au复合电极；所述p型金属电极（9）是具有如下特定形状的：呈对角线分布的多交叉枝型，或呈对角线分布的工字型；所述的透明电极（7）为电流扩展层。
2.一种用于根据权利要求1所述的氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于工艺步骤如下：
a. 用MOCVD的方法在衬底上依次生长缓冲层（2）、本征层（3）、n型氮化镓（4）、量子阱（5）、p型氮化镓（6）；
b. 对外延片进行镁激活退火处理；
c. 通过利用ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，制备出所需芯片结构；
d. 浮去光刻胶，并使用NaOH或者HF或者王水对外延片进行表面处理；
e. 通过磁控溅射方法，沉积氧化锌透明导电薄膜（7）；
f. 先浮去光刻胶，再对外延片进行退火处理，一方面降低氧化锌与氮化镓之间的接触电阻，一方面修复刻蚀损伤；
g. 通过光刻胶或者金属板掩膜，利用热蒸发或电子束蒸发的方法沉积n型金属电极（8）
h. 通过光刻胶或者金属板掩膜，利用热蒸发或电子束蒸发的方法沉积p型金属电极（9）；
i. 再次退火处理，进行金属电极的合金化；
j. 分割外延片。
3.根据权利要求2所述的氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于先利用ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，再用掩膜法沉积氧化锌基透明电流扩展层。
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Legal Events
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20130828 |
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