CN102738345B

CN102738345B - 具有透明导电层的发光二极管及其制作方法

Info

Publication number: CN102738345B
Application number: CN201210238130.XA
Authority: CN
Inventors: 林科闯; 蔡文必; 王笃祥; 戴菁甫; 林仕尉; 董仲伟
Original assignee: Tianjin Sanan Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Tianjin Sanan Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: CN102738345A

Abstract

本发明公开了一种透明导电层、制作方法及其有发光二极管上的应用。发光二极管包括：衬底；发光外延层，形成于所述衬底之上，依次由第一限制层、发光层、第二限制层构成；透导电层，形成于所述发光外延层之上，其特征在于：所述透明导电层包含第一氧化铟锡层和第二氧化铟锡层，其中所述第一氧化铟锡层形成于所述发光外延层上，其为不完全连续的薄膜分布状态；所述第二氧化铟锡层形成于所述第一氧化铟锡层上，其致密性优于所述第一氧化铟锡层。

Description

具有透明导电层的发光二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体光电器件的制作，具体涉及一种具有透明导电层的发光二极管及相应的制作方法。

背景技术

发光二极管（LED）经过多年的发展，已经广泛用于显示、指示、背光、照明等不同领域。III-V族化合物是当前主流的用于制作发光二极管的半导体材料，其中以氮化镓基材料和铝镓铟磷基材料最为普遍。

传统的P型III-V族半导体材料的电流扩展性能一般较差，为了使电流能够均匀地注入发光层，一般在p型材料层上加一电流扩展层。氧化铟锡（ITO）为目前发光二极管制作中使用最为广泛的电流扩展层材料之一，其主要优先包括：1）可见光波段的穿透率很高，是良好的透明导电窗口；2）折射率与发光半导体材料较为匹配，有利于提高取光效率。为了达到较佳的导电性及透光率，一般要求形成的ITO薄膜的致密性越佳越好。

发明内容

本发明提供了一种具有透明导电层的发光二极管及制作方法，其可有效提升器件的取光效率。

根据本发明的第一个方面，具有透明导电层的发光二极管，包括：外延层，由半导体材料层堆叠而成；透明导电层，形成于所述发光外延层之上。其中，所述透明导电层由第一氧化铟锡层和第二氧化铟锡层构成；所述第一氧化铟锡层形成于所述发光外延层上，其为不完全连续的薄膜分布状态；所述第二氧化铟锡层形成于所述第一氧化铟锡层上，其致密性优于所述第一氧化铟锡层。

进一步地，所述第一氧化铟锡层的厚度为10~100?。

进一步地，所述第一氧化铟锡层通过电子束蒸镀形成，呈不完全连续的薄膜分布，其上分布有孔洞结构，孔洞直径为50~100nm。所述孔洞结构与所述发光二极管的发光外延层形成自然的纵向电流阻挡作用。

进一步地，所述第二氧化铟锡层通过离子束溅射的方式形成。

进一步地，所述第二氧化铟锡层分为底部层和主体层，所述底部层采用第一离子束溅镀而成，主体层采用第二离子束溅镀而成，其中所述第一离子束的能量小于第二离子束的能量。

进一步地，所述第二氧化铟锡层的底部层厚度为100~200?。

进一步地，所述第二氧化铟锡层的主体层厚度为600~1200?。

进一步地，所述第二氧化铟锡层的主体层的电阻率为10~20 。

进一步地，所述第二氧化铟锡层的底部层的电阻率为20~30。

根据本发明的第二个方面，具有透明导电层的发光二极管的制作方法，包括步骤：提供一基板，外延生长发光外延层，其依次包括第一限制层、发光层、第二限制层；在发光外延层形成第一氧化铟锡层，其呈不完全连续的薄膜分布状态；在所述第一氧化铟锡层上形成第二氧化铟锡层，其致密性优于所述第一氧化铟锡层；所述第一氧化铟锡层和第二氧化铟锡层构成透明导电层。

进一步地，采用电子束蒸镀方式形成第一氧化铟锡层，其电子束蒸镀的速率为0.5~1?/s，所形成的氧化铟锡层的厚度为10~100?。所述呈不完全连续的薄膜分布的第一氧化铟锡层上分布有孔洞结构，所述孔洞直径50~100nm。孔洞结构与发光外延层形成自然的纵向电流阻挡作用。

进一步地，采用下述方法形成第二氧化铟锡层：采用第一离子束，在所述第一氧化铟锡层上溅镀第二氧化铟锡层的底部层；采用第二离子束，在所述第二氧化铟锡层的底部层上溅镀第二氧化铟锡层的主体层；所述第一离子束的能量小于第二离子束的能量。

进一步地，所述第一离子束的电流为50~60A，电压为45~50v，蒸镀速率为1~2?/s；所述第二离子束的电流为70~80A，电压为50~55v，蒸镀速率为2~6?/s；形成的第二氧化铟锡层的底部层厚度为100~200?，电阻率为20~30；形成的第二氧化铟锡层的主体层厚度为600~1200?，电阻率为10~20。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。

图1为采用电子束蒸镀形成的ITO的SEM外观照片图。

图2为采用离子束溅射形成的ITO的 SEM外观照片图。

图3为根据本发明实施的具有透明导电层的发光二极管结构示意图。

图4为根据本发明实施的透明导电层结构示意图。

图5为根据本发明实施的具有透明导电层的发光二极管的制作流程图。

图6为根据本发明实施的第一ITO层的SEM外观照片。

图中各标号表示：

100：发光外延层；110：电流阻挡层；120：ITO层；200：外延层；201：蓝宝石衬底；202缓冲层；203：第一限制层；204：多量子活性层；205：第二限制层；210：透明导电层；211：第一ITO层；211a：电流阻挡孔；212a：第二ITO层的底部层；212b：第二ITO层的主体层；221：第一电极；222：第二电极。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

本发明的核心思想在于，提供一种具有透明导电层的发光二极管及其制作方法，其中透明导电层由两种不同特性的ITO层构成。其中，第一ITO层呈不完全连续的薄膜分布状态，可利用电子束蒸镀形成，借由制造部分面积无ITO分布的电流阻绝效果提高电流密度，但有ITO分布的区域保证纵向电流传导，无需另外沉积蚀刻钝化层用作电流阻挡层；相较于第一ITO层的不完全连续分布，第二ITO层基本上连续分布的（致密性远优于第一ITO层），一方面增加横向电流传导，另一方面提高折射率，使得其与半导体层的折射率更加匹配，有利于增大临界角，从而减少了内部全反射。进一步地，为减低离子束能量对表面的影响，将离子束溅镀分不同能量两次成膜，第一层膜采用低能量离子束，降低对半导体层表面造成的损伤；第二层膜采用高能量离子束，缩短成膜时间。

结合上述核心思想，本发明提供一种具有透明导电层的发光二极管及其制作方法，所述发光二极管包括：衬底；发光外延层，形成于所述衬底之上，依次由第一限制层、发光层、第二限制层构成；透明导电层，形成于所述发光外延层之上。所述透明导电层由第一氧化铟锡层和第二氧化铟锡层构成，其中所述第一氧化铟锡层形成于所述发光外延层上，其为不完全连续的薄膜分布状态；所述第二氧化铟锡层形成于所述第一氧化铟锡层上，其致密性优于所述第一氧化铟锡层。

进一步，结合上述具有透明导电层的LED结构，本发明还提供了一种制造方法，包括以下步骤：

步骤S11，提供一基板，其在于外延生长发光外延层，其依次包括第一限制层、发光层、第二限制层；

步骤S12，在发光外延层形成第一氧化铟锡层，其呈不完全连续的薄膜分布状态；

步骤S13，在所述第一氧化铟锡层上形成第二氧化铟锡层，其致密性优于所述第一氧化铟锡层。

以下结合核心思想，详细说明本发明所述LED结构及其制作方法。

以下列举所述LED结构及其制作方法的实施例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。

以下请参考图3，其为本发明第一实施例的LED结构的截面图。

如图3所示，在本实施例中，衬底201可以从以下一组材料中选出，该组材料包括：蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底、氮化镓衬底及氧化锌衬底，在较佳的实施例中，衬底101选取蓝宝石衬底。

外延层200设置在衬底200上，外延层的材料包括氮化镓基材料、磷化镓基材料、镓氮磷基材料或氧化锌基材料。在本实施例中，外延层200为氮化镓基材料，外延层200包括自下至上依次层叠设置的缓冲层202、第一限制层203、发光层204和第二限制层205，其中，缓冲层202为氮化铝镓（AlGaN），用于减少螺纹错位和改善多量子阱的表面形貌，第一限制层203为N型氮化镓（GaN）层结构，发光层204为氮化铝镓（AlGaN）多量子阱有源层，第二限制层205为P型AlGaN层。本实施例中的外延层200的结构并不限于缓冲层-N型GaN层结构-AlGaN多量子阱有源层-P型AlGaN层，其它可以激发出光的外延层结构，如N型GaN层-（InGaN）/GaN多量子阱有源层-P型GaN层也在本发明的思想范围内。

如图4所示，透明导电层210设置在外延层200的第二限制层205上，透明导电层210由第一ITO层211和第二ITO层212构成。其中，第一ITO层位于第二限制层205，呈不完全连续的薄膜分布状态，上面分布有孔洞结构211a；第二ITO层212位于第一ITO层211上，致密性比第一ITO层佳。第一ITO层212呈不完全连续的薄膜分布状态，用于在有ITO分布的区域保证纵向电流传导，实现与外延层形成欧姆接触，并借由部分面积无ITO分布的电流阻绝效果提高电流密度。在本发明的一个优先实施例中，采用电子束蒸镀形成第一ITO层211，使用蒸发所形成的ITO薄膜致密性较差，孔洞较多（请参考图1），并通过控制氧流量和沉积速率，从而获得相对不连续性成锯齿状ITO薄膜。第一ITO层211的厚度为10~100 ?，较佳的为30 ?~70 ?。孔洞211a的直径50 ~ 100nm。孔洞结构分布在第一ITO层中，无ITO颗粒，起到了电流阻挡的作用，有效提高了电流密度。第二ITO层212的致密性高于第一ITO层211，一方面用于增加横向电流传导，另一方面提高了折射率，使得其与半导体层的折射率更加匹配，有利于增大临界角，减少内部全反射。采用离子溅镀法形成的ITO薄膜，表面连续平滑（请参考图2），致密性远高于用于蒸发法形成的ITO薄膜，所以可使用离子溅镀法形成第二ITO层212。在本发明的一个优选实施例中，第二ITO层212采用二次两次成膜，第一层膜为第二ITO层的底部层212a，采用低能量离子束，降低对半导体层表面造成的损伤，第二层膜为第二ITO层的主体层212b，采用高能量离子束，缩短成膜时间，如此一来有效减低离子束能量对表面的影响。更具体的，第二ITO层的底部层212a的厚度可以为100~200?，主体层212b的厚度可为600~1200?。在本实施例中，离子溅镀法可为反应式离子沉积法（英文为Reactive Plasma Deposition,简称RPD）或溅射法（英文为Sputtering）。

第一、第二电极221、222分别位于露出的第一限制层表面和第二ITO层的主体层212b表面上，用于为外延层提供电流注入。另外，当本实施例的LED为垂直结构时，第一电极可直接设置在衬底的背面，此时衬底为导电型的，如Si片等。

以下说明本实施例LED的制备方法。参考图5，其为本发明第一实施例的LED制作方法的流程图。

首先进行步骤S11，提供衬底201，采用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）在衬底201的表面上外延生长发光外延层200。外延层200包括自下至上依次层叠设置的缓冲层202、第一限制层203、发光层204和第二限制层205。

接着进行步骤S12，在外延层200上形成第一ITO层211，其呈不完全连续的薄膜分布状态。在本实施例中采用蒸镀方式，控制蒸镀的氧流量和沉积速率，形成相对不连续性成锯齿状ITO薄膜。在本发明的一个优先实施例中，采用生长温度为300℃、氧流量为10sccm、沉积速率1?/s的条件在第二限制层205上进行蒸镀，厚度为10~100?，所形成的孔洞直径为50~100nm。所成形成ITO膜的SEM外观照片图如图6所示。从图中可看出ITO膜呈不连续的分布状态，其中无ITO颗粒的区域形成阻挡结构。

然后进行步骤S13，在第一ITO层上制作第二ITO层212。可采用离子束溅射的方式形成。在本发明的一个优选实施例中，采用二次两次成膜，先在第一ITO层上采用较低能量的离子束溅射第一层膜作为第二ITO层的底部层212a，接着采用较高能量的离子束溅射第二层膜作为第二ITO层的主体层212b。更具体地，采用50~60A、电压为45~50v的离子束形成第一层膜，蒸镀速率为1~2?/s，厚度为100~200?；接着采用电流为70~80A、电压为50~55V的离子束形成第二层膜，溅蒸镀速率为2~6?/s，厚度为600~1200?。至此完成了透明导电层的制作。

最后，再使用常规芯片工艺制作第一、第二电极。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.具有透明导电层的发光二极管，包括：外延层，由半导体材料层堆叠而成；透明导电层，形成于所述外延层之上，其特征在于：所述透明导电层包含第一氧化铟锡层和第二氧化铟锡层，其中

所述第一氧化铟锡层形成于所述外延层上，呈不完全连续的薄膜分布状态，未分布区域与所述外延层形成电流阻挡作用；

所述第二氧化铟锡层形成于所述第一氧化铟锡层上，其致密性优于所述第一氧化铟锡层；

所述第二氧化铟锡层分为底部层和主体层，所述底部层采用第一离子束溅镀而成，主体层采用第二离子束溅镀而成，其中所述第一离子束的能量小于第二离子束的能量。

2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一氧化铟锡层的厚度为10~100?。

3.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第一氧化铟锡层通过电子束蒸镀形成不完全连续的薄膜分布状态，其上分布有孔洞结构。

4.根据权利要求3所述的发光二极管，其特征在于：所述孔洞直径50~100nm。

5.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二氧化铟锡层的底部层厚度为100~200?。

6.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于：所述第二氧化铟锡层的主体层厚度为600~1200?。

7.具有透明导电层的发光二极管的制作方法，包括步骤：

生长外延层，其由半导体材料层堆叠而成；

在所述外延层形成透明导电层，其包含第一氧化铟锡层和第二氧化铟锡层，其中

所述第二氧化铟锡层形成于第一氧化铟锡层上，其致密性优于所述第一氧化铟锡层，采用第一离子束在所述第一氧化铟锡层上溅镀第二氧化铟锡层的底部层，采用第二离子束在所述第二氧化铟锡层的底部层上溅镀第二氧化铟锡层的主体层，所述第一离子束的能量小于第二离子束的能量。

8.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：采用电子束蒸镀方式制备第一氧化铟锡层，形成不完全连续的薄膜分布状态，其上分布具有孔洞结构。

9.根据权利要求8所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述电子束蒸镀的速率为0.5~1?/s，所形成的氧化铟锡层的厚度为10~100?。

10.根据权利要求8所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述孔洞直径50~100nm。

11.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第一离子束的电流为50~60A，电压为45~50v，蒸镀速率为1~2?/s。

12.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第二离子束的电流为70~80A，电压为50~55v，蒸镀速率为2~6?/s。

13.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第二氧化铟锡层的底部层厚度为100~200?。

14.根据权利要求7所述的发光二极管的制作方法，其特征在于：所述第二氧化铟锡层的主体层厚度为600~1200?。