CN101847677B - 采用mvpe两步法制备氧化锌透明电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用MVPE两步法制备氧化锌透明电极的方法，包括：第一步，生长缓冲层；第二步，生长电极层；其中，生长缓冲层时金属舟的温度比生长电极层低30至200℃；生长缓冲层时金属舟的载气流量是生长电极层时的1/10至1倍；生长缓冲层时衬底的温度比生长电极层时高0至150℃。利用本发明，有效改善了氧化锌透明电极的界面性质，降低了LED的工作电压和串联电阻。

Description

采用MVPE两步法制备氧化锌透明电极的方法
技术领域
本发明涉及电子和光电子材料和器件制造技术领域，具体涉及到一种采用金属源化学气相沉积(MVPE)两步法制备高界面质量的氧化锌透明电极的方法。
背景技术
氮化镓(GaN)基发光二级管(LED)具有发光效率高，耗电量少，使用寿命长，安全可靠性强，全固体发光有利环保，没有二氧化硫，氮化物以及二氧化碳等温室气体排放等诸多优点，业已成为全球科研工作者的研究热点。在LED的制备工艺中，透明电极的好坏是影响LED芯片发光效率的一个重要因素。
对于发光二极管和激光二极管等电注入发光器件而言，电流的扩展分布对于整个器件的工作特性，如器件有源区发光的均匀性，散热性能和可靠性等都具有重要的影响。不仅如此，对于这些发光器件而言，透明电极不仅仅是一个导电电极，还兼具电流扩展层和出光层的功用。
日本、美国、台湾等地区已采用含铟氧化锡(ITO)、氧化锌(ZnO)等透明电极用于制作具有高发光效率的GaN-LED。其中，氧化锌透明电极可以制作到上百微米，且ZnO的折射率在2.0左右，位于氮化镓(折射率2.5)和空气(折射率1)之间，这使得GaN LED有源层发出的光更易出射。因此，氧化锌透明电极在GaN-LED的应用前景不可限量。
氧化锌透明电极的生长方法有：MBE、MOCVD、磁控溅射和水热法等。其中，水热法可以生长较厚，能充分利用氧化锌材料的优势。因此，水热法生长的氧化锌透明电极的报道最令人鼓舞。
Californiz大学的Thompson等人将水热法生长的500μm厚的氧极性ZnO，盐酸腐蚀后成上截金字塔形，然后通过键合技术做成GaN-LED的透明电极，藉此来提高LED的光提取效率(Appl.Phys.Lett.89，171116(2006))。报道中指出，氧化锌电极的工作电压高达5.4V(20mA)，串联电阻高达90ohm。在改善键合技术无果的情况下，2009年他们通过水热法直接在GaN-LED上生长了4μm厚的ZnO，使得GaN-LED的工作电压下降到4V左右(20mA)，串联电阻降低为32ohm。(Applied PhysicsExpress 2，042101(2009))。
金属源化学气相沉积(MVPE)技术利用金属锌蒸气作为金属源，水蒸汽作为氧源，具有较快的生长速度，目前报道可达到120μm/h，可用于生长高质量的氧化锌膜和氧化锌体材料(氧化锌单晶厚膜剥离衬底后制得)。
中国科学院半导体研究所的刘祯，王晓峰，曾一平等人的专利“利用氧化锌提高LED光提取效率的方法”(申请号：200910084159.5)中报道了在GaN-LED上利用MVPE技术生长氧化锌透明电极的生长技术以及表面粗化技术；杨华，王晓峰，阮军，王国宏，曾一平申请的专利“′透明电极GaN基LED结构及其制作方法”(申请号：200910081994.3)报道了在GaN-LED上氧化锌透明电极的制备工艺。
与ITO透明电极相比，氧化锌透明电极在GaN-LED上的应用还存在如下问题，电阻率偏高，工作电压高，串联电阻大等。这些问题也是制备大功率LED的限制因素之一。因此，改善氧化锌透明电极的界面性质，降低LED的工作电压和串联电阻具有十分重要的意义。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种采用MVPE两步法制备氧化锌透明电极的方法，尤其是具有高界面性质的氧化物透明电极。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种采用MVPE两步法制备氧化锌透明电极的方法，包括：
第一步，生长缓冲层；
第二步，生长电极层；
其中，生长缓冲层时金属舟的温度比生长电极层时低30至200℃；生长缓冲层时金属舟的载气流量是生长电极层时的1/10至1倍；生长缓冲层时衬底的温度比生长电极层时高0至150℃。
上述方案中，所述缓冲层和电极层的其他生长条件相同。
上述方案中，所述氧化锌透明电极包括非掺氧化锌透明电极和掺杂氧化锌透明电极。
上述方案中，对于非掺氧化锌透明电极，金属舟中放置金属锌作为金属源。
上述方案中，对于掺杂氧化锌透明电极，金属舟中放置掺杂金属和金属锌作为金属源。
(三)有益效果
利用本发明，有效改善了氧化锌透明电极的界面性质，降低了LED的工作电压和串联电阻。
附图说明
图1是本发明提供的采用MVPE两步法制备氧化锌透明电极的方法流程图；
图2是氧化锌透明电极与ITO透明电极透射率的比较示意图；
图3是采用两步法生长的氧化锌透明电极的GaN-LED样品的电致发光强度与采用一步法生长的氧化锌和ITO电极的比较示意图；
图4是氧化锌和ITO的电流-电压特性示意图。
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，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的采用MVPE两步法制备氧化锌透明电极的方法流程图，该方法包括以下步骤：
第一步，生长缓冲层；
第二步，生长电极层；
其中，生长缓冲层时金属舟的温度比生长电极层时低30至200℃；生长缓冲层时金属舟的载气流量是生长电极层时的1/10至1倍；生长缓冲层时衬底的温度比生长电极层时高0至150℃。
其中，所述缓冲层和电极层的其他生长条件相同。所述氧化锌透明电极包括非掺氧化锌透明电极和掺杂氧化锌透明电极。对于非掺氧化锌透明电极，金属舟中放置金属锌作为金属源；对于掺杂氧化锌透明电极，金属舟中放置掺杂金属和金属锌作为金属源。
本发明采的MVPE两步法制备氧化锌透明电极的方法，同样适用于其他可用MVPE法生长的氧化物透明电极，如氧化铟(In2O3)、氧化镉(CdO)等。
实施例：采用MVPE两步法制备镓掺杂氧化锌透明电极
步骤1：将金属锌Zn和金属镓Ga装入金属舟，其中Ga和Zn的比例为5∶1(摩尔比)。
步骤2：取一片MOCVD生长的2英寸量子阱结构的GaN-LED样品，清洗后安装在衬底托上。
步骤3：向反应管和金属舟中通入载气(N2)，排出其中空气。
步骤4：将金属舟升温到650℃，金属舟载气流量0.2L/m，氧源鼓泡瓶升温到60℃，氧源鼓泡瓶载气流量3L/m，衬底温度770℃，生长1分钟。
步骤5：将金属舟温度升高到700℃，金属舟载气流量增加到0.4L/m，衬底温度降低到740℃，生长5分钟。
步骤6：利用掩膜工艺腐蚀一小部分ZnO，露出部分GaN表面；
步骤7：利用掩膜工艺刻蚀露出的GaN表面，直至露出N型GaN；
步骤8：电子束蒸发方法在ZnO层铺设P型电极和P型焊盘；
步骤9：电子束蒸发方法在N型GaN层铺设N型电极和N型焊盘；
步骤10：封装。
同时提供两个参照样品：1)一步法生长的氧化锌透明电极作为参照；2)提供按照常规工艺的ITO透明电极作为参照。
注：一步法生长氧化锌透明电极没有上述的步骤4，原步骤5修改为：
金属舟温度设定为700℃，金属舟载气流量0.4L/m，氧源鼓泡瓶设定为60℃，氧源鼓泡瓶载气流量3L/m，衬底温度设定为740℃，生长5分钟。其他步骤同。
测试结果：
1)透射率(Transmissivity)，如图2所示。相较ITO透明电极而言，在400至800nm范围内，氧化锌透明电极的透射率更高。
2)电致发光(EL)，如图3所示，采用两步法生长的氧化锌透明电极的GaN-LED样品的电致发光强度高于参照的一步法氧化锌和ITO电极。
3)电流-电压特性，如图4所示。
另外，下面的表I示出了电流-电压测试结果：
 工作电压(V)20mA   串联电阻(ohm)
 两步法生长ZnO透明电极的GaN-LED  4.9   27.2
 参考的一步法生长ZnO透明电极的GaN-LED  6.1   73.6
 参考的ITO透明电极的GaN-LED  5.0   29.1
表I
4)光功率
采用两步法生长ZnO透明电极GaN-LED的光功率比ITO的提高一倍多(4mW→9.5mW)。
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，所应理解的是，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。

Claims (5)

1.一种采用金属源化学气相沉积两步法制备氧化锌透明电极的方法，其特征在于，包括：
第一步，生长缓冲层；
第二步，生长电极层；
其中，生长缓冲层时金属舟的温度比生长电极层时低30至200℃；生长缓冲层时金属舟的载气流量是生长电极层时的1/10至1倍；生长缓冲层时衬底的温度比生长电极层时高0至150℃；
其中，在生长缓冲层时，将金属舟升温到650℃，金属舟载气流量0.2L/m，氧源鼓泡瓶升温到60℃，氧源鼓泡瓶载气流量3L/m，衬底温度770℃，生长1分钟；接着在生长电极层时，将金属舟温度升高到700℃，金属舟载气流量增加到0.4L/m，衬底温度降低到740℃，生长5分钟。
2.根据权利要求1所述的采用金属源化学气相沉积两步法制备氧化锌透明电极的方法，其特征在于，所述缓冲层和电极层的其他生长条件相同。
3.根据权利要求1所述的采用金属源化学气相沉积两步法制备氧化锌透明电极的方法，其特征在于，所述第二步中生长电极层得到氧化锌透明电极，所述氧化锌透明电极包括非掺氧化锌透明电极和掺杂氧化锌透明电极。
4.根据权利要求3所述的采用金属源化学气相沉积两步法制备氧化锌透明电极的方法，其特征在于，对于非掺氧化锌透明电极，金属舟中放置金属锌作为金属源。
5.根据权利要求3所述的采用金属源化学气相沉积两步法制备氧化锌透明电极的方法，其特征在于，对于掺杂氧化锌透明电极，金属舟中放置掺杂金属和金属锌作为金属源。
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