CN102169944A - Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极的发光二极管及其制备方法 - Google Patents

Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极的发光二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极发光二极管及其制作工艺。本发光二极管包括：在蓝宝石衬底上依次有缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓和Ag/ITO/氧化锌基复合电流扩展层、并有n型金属电极连接n型氮化镓，p型金属电极连接Ag/ITO/氧化锌复合透明电流扩展层。其制作方法是：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；Ag/ITO/氧化锌复合透明电流扩展层分别依次是利用真空蒸镀的方法将几纳米厚的Ag薄膜蒸镀到p型GaN表面，再用电子束蒸镀的方法将ITO透明薄膜蒸镀在Ag薄膜表面，再利用磁控溅射的方法将氧化锌透明薄膜溅射在ITO薄膜表面，形成Ag/ITO/氧化锌复合透明电流扩展层；利用干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，退火处理后利用热蒸发或电子束蒸发等薄膜沉积方法生长金属电极。Ag/ITO/氧化锌复合透明电极极大地改善了p型氮化镓与透明电极层之间的欧姆接触，提高了LED芯片的光提取效率和可靠性。

Description

Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极的发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片及其制备方法，特别是一种Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极发光二极管及其制作方法。
背景技术
理论上LED的发光效能可以高达200lm/W以上，而现在的白光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的发光效率主要有两种途径: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。而传统结构的GaNg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的质量和寿命。目前采用的提高LED外量子效率的方法主要有：透明衬底技术、金属膜反射技术、表面微结构技术、倒装芯片技术、芯片键合技术、激光剥离技术等。
特别是由于p-GaN欧姆接触的阻抗一直难以降低，GaN基LED在工作时很大一部分电压会落在p-GaN欧姆接触的界面上，这也会导致在p-GaN欧姆接触界面上产生大量的热量，从而引起器件失效。目前改善欧姆接触的主要有表面预处理技术、退火技术、采用异质结和超晶格结构技术、重掺杂技术等。而Ni/Au基金属化和ITO透明导电薄膜是其中比较成熟的技术。
为了降低p-GaN的接触电阻和使电流扩散均匀，p-GaN厚度较薄，一般小于0.2微米，同时p-GaN电极面积较大。电极层对光的遮挡和吸收是影响外量子效率的一个重要因素。因此，实现低欧姆接触阻抗的p-GaN透明电极，对提高LED的质量、使用寿命和发光效率，促使LED在照明领域中的应用，有重要意思。
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Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极发光二极管芯片及其制造方法，本发光二极管芯片极大地改善了p型氮化镓表面与透明电极之间的接触电阻，提高了大功率发光二极管的出光效率，增加p型半导体层电流扩散的均匀性。
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，提高采用透过率高、掺杂导电性好、资源丰富的氧化锌做为电流扩展层，为了氧化锌电流扩展与p型氮化镓表面形成良好的欧姆接触，在p型氮化镓表面溅射氧化锌薄膜前先蒸镀一层Ag纳米层，再在纳米层上蒸镀一层ITO薄膜，最后溅射氧化锌基薄膜，同时通过设计特定形状的p型金属电极极大的提高了p型半导体层的电流扩展层的电流扩散均匀性，从而提高LED光效和可靠性。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种Ag/ITO/氧化锌基复合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、Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7)、n型金属电极（PAD）连接n型氮化镓、p型金属电极(PAD)连接复合透明电极。其中在于缓冲层、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。其中缓冲层(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；其特征在于所述的Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7)其制备方法是依次是利用真空蒸镀的方法在p型氮化镓表面蒸镀一层Ag纳米层，再利用电子束蒸镀的方法将ITO透明薄膜蒸镀，最后利用磁控溅射的方法将氧化锌透明薄膜溅射在ITO薄膜表面，形成Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7)，其中ITO薄膜的材质是是Sn2O3:In2O3=1:9的铟锡氧化物，氧化锌基透明导电薄膜的材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In；所述的n型金属电极(8)是金属复合电极，材质是Ti/Al或Cr/Pt/Au；所属的p型金属电极(9)是金属复合电极，材质是Ni/Au或Cr/Pt/Au。
上述的p型金属电极具有的特殊形状:工字型，此种形状p型金属电极(9)使得电流扩散更均匀，提高LED芯片的可靠性。
一种制造根据权利1要求所述的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(2)、本征层(3)、n型氮化镓(4)、量子阱(5)、p型氮化镓(6)；
2)对外延片进行镁激活退火处理；
3)使用化学试剂对外延片进行表面处理，其化学试剂是KOH或者HCl或者王水；
4)通过真空蒸镀、电子束蒸发和磁控溅射分别沉积ITO透明导电薄膜和氧化锌透明导电薄膜,形成Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7)；
5)用湿法腐蚀的方法刻蚀出所设计的Ag/ITO/氧化锌基复合电流扩展层(7)图形；
6)通过离子刻蚀或ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，对外延片进行退火处理，一方面降低ITO薄膜层与氮化镓表面层以及ITO薄膜层和氧化锌基薄膜层以及之间的接触电阻，一方面修复刻蚀损伤；
7)通过热蒸发或电子束蒸发的方法沉积n型金属电极(8)和p型金属电极(9)
8)再次退火处理，进行金属电极的合金化；
9)分割外延片
所述的Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于所述的Ag/ITO/氧化锌复合透明电极是首先利用真空蒸镀的方法在p型氮化镓表面蒸镀一层Ag纳米层，再利用电子束蒸发的方法在Ag纳米层上蒸镀ITO薄膜，再利用磁控溅射的方法在ITO薄膜溅射一层氧化锌基透明薄膜，形成Ag/ITO/氧化锌复合透明电极。
所述的Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极发光二极管的制备方法，其特征在于利用氩离子或ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，退火处理后利用热蒸发等薄膜沉积方法生长金属电极。芯片的尺寸为直径为1mm的圆，为了辅助Ag/ITO/氧化锌进行更好的电流扩散，设计了一种p型金属电极，Ag/ITO/氧化锌透明电极极大地改善了p型氮化镓表面与透明电极层之间的接触电阻，提高了LED的光提取效率，而此种形状的p型金属电极是的电流扩散更均匀，从而提高了LED芯片的可靠性。
本发明的Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极发光二极管与传统的镍金电极和掺锡氧化铟电极以及纯氧化锌基电极相比有显而易见的有事：透过率较高，降低了透明电极和p型氮化镓表面的接触电阻，形成更好的欧姆接触，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和图2是本发明的未沉积金属的电极的LED芯片结构图，其中图1为主视图，图2为俯视图；
图3和图4是本发明p型电极形状，其中图3为主视图，图4为俯视图。
具体实施方式
本发明的优选实例结合附图说明如下：
实施例一：参见图1和图2,本Ag/ITO/氧化锌基透明电极发光二极管包括：在蓝宝石衬底1上依次有缓冲层2、本征层3、n型氮化镓4、量子阱5、p型氮化镓6和Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层7，并有n型金属电极(PAD)8连接n型氮化镓4，p型金属电极(PAD)9连接透明Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层7。其中缓冲层2、本征层3、n型氮化镓4、量子阱5、p型氮化镓6是在MOCVD中依次生长完成的；所述的Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层7是Ag/ITO/氧化锌复合透明电极，其中ITO薄膜的材质是是Sn2O3:In2O3=1:9的铟锡氧化物，氧化锌基透明导电薄膜的材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In；所述的n型金属电极(8)是金属复合电极，材质是Ti/Al或Cr/Pt/Au；所属的p型金属电极(9)是金属复合电极，材质是Ni/Au或Cr/Pt/Au。
实施例二：本实施例与与实施例一基本相同，特别之处是：p型电极的特殊形状：工字型，此种形状的p型金属电极9使得电流扩散更均匀，提高了LED芯片的可靠性。
实施例三：本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；紧接着对外延片进行镁激活退火处理；然后使用KOH或者HCl或者王水等化学试剂对外延片进行表面处理，通过真空蒸镀的方法蒸镀Ag纳米层，再用电子束蒸镀的方法沉积ITO透明导电薄膜，最后通过射频磁控溅射氧化锌透明导电薄膜形成了Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层7，用湿法腐蚀的方法，将复合透明电极腐蚀出所需图形，再通过离子刻蚀或者ICP刻蚀将n型氮化镓暴露出来，并进行退火处理；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。
实施例四：本实施与实施例三基本相同，特别之处在于：所述的Ag/ITO/氧化锌基复合电极是通过直流磁控溅射沉积ITO薄膜，再通过射频磁控溅射沉积氧化锌基薄膜形成Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层7，用湿法腐蚀的方法，将复合透明电极腐蚀出所需图形，再通过离子刻蚀将n型氮化镓暴露出来，并进行退火处理；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。
实施例五：本实施与实施例四基本相同，特别之处在于：所述的ITO/氧化锌基复合电极是通过直流磁控溅射沉积ITO薄膜，再通过射频磁控溅射沉积氧化锌基薄膜形成Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层7后，直接通过离子刻蚀或者ICP刻蚀将n型氮化镓暴露出来，使得p型氮化镓呈现出所想要的图案。芯片尺寸为直接为1mm圆，为辅助复合电极进行更好的电流扩散，设计出此种特殊的形状的p型金属电极。氧化锌透明电极提高了LED芯片光提取效率，此种形状的p型电极使得电流扩散更均匀，从而提高了LED芯片的可靠性。

Claims (3)

1.一种Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极的发光二极管，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)、Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7)、n型金属电极(8)连接n型氮化镓(4)、p型金属电极(9)连接Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7),其中缓冲层(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；其特征在于所述的Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7)的制备方法是依次是利用电子束蒸镀或者真空蒸镀的的方法将几纳米厚的Ag薄膜蒸镀在p型氮化镓表面，再利用电子束蒸镀的方法在Ag纳米层上蒸镀ITO透明薄膜；最后利用磁控溅射的方法将氧化锌透明薄膜溅射在ITO薄膜表面，形成Ag/ITO/氧化锌复合透明电极，其中ITO薄膜的材质是是Sn2O3:In2O3=1:9的铟锡氧化物，氧化锌基透明导电薄膜的材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In；所述的n型金属电极(8)是金属复合电极，材质是Ti/Al或Cr/Pt/Au；所属的p型金属电极(9)是金属复合电极，材质是Ni/Au或Cr/Pt/Au。
2.根据权利要求1所述的Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极发光二极管，其特征在于所述的p型金属电极的形状为工字型。
3.一种用于权利要求1所述的Ag/ITO/氧化锌基复合透明电极的发光二极管的制备方法，其特征在于其工艺步骤如下：
a.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)；
b.对外延片进行镁激活退火处理；
c.使用化学试剂对外延片进行表面处理，其化学试剂是KOH或者HCl或者王水；
d.通过真空蒸镀、电子束蒸发和磁控溅射分别沉积Ag纳米层、ITO透明导电薄膜和氧化锌透明导电薄膜,形成Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7)；
e.用湿法腐蚀的方法刻蚀出所设计的Ag/ITO/氧化锌基透明电流扩展层(7)图形；
f.通过离子刻蚀或ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，对外延片进行退火处理；
g.通过热蒸发或电子束蒸发的方法沉积n型金属电极(8)和p型金属电极(9)；
h.再次退火处理，进行金属电极的合金化；
i.分割外延片。
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