CN103730558A - 采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法。该发光二极包括：衬底；依次沉积于衬底上的缓冲层、n型GaN层、多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层，其中，该发光二极管一侧的p型GaN层、p型AlGaN层、多量子阱和部分的n型GaN层被刻蚀形成台阶；p型复合透明导电层，形成于发光二极管未经刻蚀一侧的p型GaN层上，自下而上依次包括：ITO透明接触层、ZnO基电流扩展层、ITO导光层；p型金属电极层和n型金属电极层，分别形成于发光二极管未经刻蚀一侧的ITO导光层上和发光二极管被刻蚀一侧的台阶上。本发明提高了透明导电层的抗腐蚀能力，进而提高整个发光二极管器件的合格率。

Description

采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法。
背景技术
LED产业属于半导体相关的高科技产业，处于上游的芯片往往是整个产业的关键，这不仅仅体现在上游芯片的性能和价格决定了中下游产品的性能和价格，还体现在芯片供应商往往控制着整个产业的专利及标准。LED芯片的性能很大程度上决定了整个产品的性能。
氮化镓基III-V族半导体已成为一个充满希望的光源材料。氮化镓基发光二极管(LED)正在迅速扩大应用领域，特别是需要超高亮度的领域，如大尺寸屏幕的背光单元和取代传统荧光灯和白炽灯泡的固态照明系统。
目前，LED透明电极材料主要采用氧化铟锡(ITO)，但由于In为稀有金属，价格昂贵而且有毒性，因此寻找一种物美价廉的透明电极材料取代ITO一直备受关注。氧化锌(ZnO)是一种II-VI族的化合物半导体，对于可见光具有很高的透过率，通过III族元素掺杂，ZnO可以实现较低的电阻率；同时，ZnO与GaN晶格较匹配，自然界储量丰富，具有成本低、无毒、在氢等离子体环境下相对稳定等优良特性，是极佳的GaN基LED的电极材料。
中国专利CN 102142496A和中国专利CN 102169943A均报道了ITO/氧化锌基复合透明导电层的技术方案。该复合透明导电层的热稳定性好，并且能够与P型GaN可形成良好的欧姆接触。然而，在制备GaN器件的工艺中，在生成ITO/氧化锌基复合透明导电层之后，还需要对GaN基器件进行光刻处理，并蒸镀金属电极。
图1A为采用现有技术制备的ITO/氧化锌基复合透明电极在光刻过程中去除光刻胶后的显微镜照片。图1B为采用现有技术制备的GaN器件在蒸镀金属电极后的显微镜照片。由图1A和图1B可以看出，由于ZnO材料抗腐蚀能力较差，制备的ITO/氧化锌基复合透明导电层在光刻去胶的过程中被腐蚀掉大部分，不能完整覆盖芯片表面。并且由于前期的ITO/氧化锌基复合透明导电层受到了破坏，其并未按照预期形成电极。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法，以提高透明导电层的抗腐蚀能力，进而提高整个发光二极管器件的合格率。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种采用复合透明导电层的发光二极管。该发光二极包括：衬底；依次沉积于衬底上的缓冲层、n型GaN层、多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层，其中，该发光二极管一侧的p型GaN层、p型AlGaN层、多量子阱和部分的n型GaN层被刻蚀形成台阶；p型复合透明导电层，形成于发光二极管未经刻蚀一侧的p型GaN层上，自下而上依次包括：ITO透明接触层、ZnO基电流扩展层、ITO导光层；p型金属电极层和n型金属电极层，分别形成于发光二极管未经刻蚀一侧的ITO导光层上和发光二极管被刻蚀一侧的台阶上。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种上述发光二极管的制备方法。该制备方法包括：步骤A，在衬底上依次逐层生长GaN缓冲层、n型GaN层、多量子阱、p型AlGaN层，p型GaN层，退火得到GaN外延片；步骤B：在外延片上沉积ITO透明接触层、ZnO基电流扩展层和ITO导光层；步骤C，在GaN外延片上旋涂光刻胶，采用台面板光刻出芯片，在每个芯片上刻蚀台面，形成台阶，去除台面上未刻蚀部分残留的光刻胶，采用电极板在ITO导光层和n型GaN层上光刻出电极图形；以及步骤D，在电极图形沉积电极金属，剥离掉台面上电极图形以外区域的光刻胶，形成n型金属电极层和p型金属电极层，完成发光二极管的制备。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法利用了现有技术来改善欧姆接触，在此基础上增加的ITO导光层一方面很好的保证了工艺兼容性，另一方面通过ZnO和ITO之间的折射率渐变来增加出光，提高了发光二极管的性能。
附图说明
图1A为采用现有技术制备的ITO/氧化锌基复合透明电极在光刻过程中去除光刻胶后的显微镜照片；
图1B为采用现有技术制备的应用ITO/氧化锌基复合透明电极的GaN器件在蒸镀金属电极后的显微镜照片；
图2为根据本发明实施例采用复合透明导电层发光二极管的剖面示意图；
图3为根据本发明实施例采用复合透明导电层发光二极管制备方法的流程图；
图4为在执行本发明实施例方法过程中制备的ZnO薄膜的X射线衍射曲线；
图5A和图5B分别为在执行本发明实施例方法过程中制备的ZnO薄膜在纵切面和上表面的扫描电子显微镜照片；
图6A为采用本实施例方法制备的ITO/氧化锌基复合透明电极在光刻过程中去除光刻胶后的显微镜照片；
图6B为采用本实施例方法制备的应用ITO/氧化锌基复合透明电极的GaN器件在蒸镀金属电极后的显微镜照片；
图7为按照本实施例方法制备的复合透明导电层与单层ITO薄膜、ITO/ZnO双层薄膜在可见光范围内的透过率对比图谱。
【主要元件】
1-衬底；                     2-缓冲层；
3-n型GaN层；                 4-多量子阱层；
5-p型AlGaN层；               6-p型GaN层；
7-ITO透明接触层；            8-ZnO基电流扩展层；
9-ITO导光层；                10-电极金属。
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。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法利用了底层的ITO来改善欧姆接触，在此基础上增加的上层的ITO导光层。该ITO导光层一方面很好的保证了工艺兼容性，另一方面通过ZnO和ITO之间的折射率渐变来增加出光，提高了发光二极管的性能。
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种采用复合透明导电层的发光二极管。图2为根据本发明实施例采用复合透明导电层发光二极管的剖面示意图。请参照图2，本实施例采用复合透明导电层的发光二极管包括：衬底1；依次沉积于衬底1上的缓冲层2、n型GaN层3、多量子阱层4、p型AlGaN层5和p型GaN层6，其中，所述发光二极管一侧的p型GaN层6、p型AlGaN层5、多量子阱4和部分的n型GaN层3经刻蚀形成台阶；p型复合透明导电层，形成于所述发光二极管未经刻蚀一侧的所述p型GaN层6上，自下而上依次包括：ITO透明接触层7、ZnO基电流扩展层8、ITO导光层9；p型金属电极层和n型金属电极层，分别形成于发光二极管未经刻蚀一侧的ITO导光层上和发光二极管被刻蚀一侧的台阶上。
本实施例中，衬底1采用的是蓝宝石衬底。缓冲层2、n型GaN层3、多量子阱4、p型AlGaN层5和p型GaN层6均是由MOCVD方法生长于蓝宝石衬底1上。而n型金属电极10和p型电极金属10为采用电子束蒸发的方式生长于相应部位。各层的厚度及沉积注意事项在现有技术中已有相关说明，此处不再赘述。
请参照图2，p型复合透明导电层采用三明治结构，其中ZnO基电流扩展层8作为该三明治结构的主体部分，其厚度最大。具体而言，该三明治结构各层的厚度依次为：ITO透明接触层7的厚度为40nm，ZnO基电流扩展层8的厚度为330nm，ITO导光层9的厚度为40nm。
该三明治结构的p型复合透明导电层中的各层分别有各自的功效。ITO透明接触层7作为接触电极，以改善欧姆接触；ZnO基电流扩展层8作为增加出光以及电流扩展层，ITO导光层9作为折射率引导层及覆层保护ZnO层。需要重点说明的是，ITO导光层9一方面很好的保证了工艺兼容性，另一方面通过ZnO和ITO之间的折射率渐变来增加出光，提高了发光二极管的性能。
至此，本实施例采用复合透明导电层的发光二极管介绍完毕。
经由上文论述，本领域技术人员应当可以对本发明采用复合透明导电层的发光二极管的结构有了清楚的认识，在此基础上，下文将着重对该发光二极管的制备方法进行详细说明。
在本发明的第二个示例性实施例中，还提供了一种上述发光二极管的制备方法。图3为根据本发明实施例采用复合透明导电层发光二极管制备方法的流程图。请参照图3，本实施例包括：
步骤A，采用MOCVD方法在蓝宝石衬底1上依次逐层生长20nm的GaN缓冲层2、4μm厚的n型GaN层3、8对3nm的GaN和12nm的InGaN组成的多量子阱4、20μm厚的p型AlGaN层5，20μm厚的p型GaN层6，最后在炉内550℃退火30分钟，得到高质量的GaN外延片；
步骤B：在外延片上采用电子束蒸发的方式沉积40nm的ITO透明接触层7，然后再采用磁控溅射的方式生长330nm的ZnO基电流扩展层8，最后同样采用电子束蒸发的方式沉积40nm的ITO导光层9；
图4为在执行本发明实施例方法过程中制备的ZnO薄膜的X射线衍射曲线。由图4可以看出，制备的ZnO薄膜为多晶型态。
图5A和图5B分别为在执行本发明实施例方法过程中制备的ZnO薄膜在纵切面和上表面的扫描电子显微镜照片。由图5A和图5B所示，制备的ZnO薄膜剖面清晰，表面平整。
步骤C，采用酒精、去离子水进行退火后清洗，在GaN外延片上旋涂光刻胶，采用台面板光刻出45mil×45mil尺寸的芯片，在每个芯片上采用感应耦合等离子体(ICP方法)刻蚀深度为1.5μm的台面，形成台阶，采用丙酮清洗去除台面上未刻蚀部分残留的光刻胶，采用电极板在ITO导光层9和n型GaN层3上光刻出电极图形；
步骤D，在电极图形上采用电子束蒸发的方式沉积电极金属10，电极金属为Cr/Pt/Au，厚度分别为70nm、40nm和1.4μm。最后剥离掉台面上电极图形以外区域的光刻胶，形成电极，完成发光二极管的制备。
图6A为采用本实施例方法制备的ITO/氧化锌基复合透明电极在光刻过程中去除光刻胶后的显微镜照片。图6B为采用本实施例方法制备的应用ITO/氧化锌基复合透明电极的GaN器件在蒸镀金属电极后的显微镜照片。比对图1A和图6A，图1B和图6B，可以明显看出，采用本实施例的方法，由于存在上层ITO材料的保护作用，复合透明导电层基本保持了预期的形态，未受到腐蚀破坏，并且后期形成了预期的电极。
图7为按照本实施例方法制备的复合透明导电层与单层ITO薄膜、ITO/ZnO双层薄膜在可见光范围内的透过率对比图谱。由图7可以看出，ZnO基复合透明导电层在可见光范围内平均透过率接近85％，显示出优良的透光性能。而ITO薄膜及ITO/ZnO的双层薄膜在可见光范围内平均透过率仅为80％。可见，至少在可见波段，本发明发光二极管中的ZnO基复合透明导电层的透过率性能能够满足要求。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。
依据上文两个实施例的描述，本领域技术人员应当对本发明采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本发明采用复合透明导电层的发光二极管及其制备方法利用了现有技术来改善欧姆接触，再此基础上增加的ITO导光层一方面很好的保证了工艺兼容性，另一方面通过ZnO和ITO之间的折射率渐变来增加出光，提高了发光二极管的性能。
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 (10)

1.一种采用复合透明导电层的发光二极管，其特征在于，包括：
衬底；
依次沉积于衬底上的缓冲层、n型GaN层、多量子阱层、p型AlGaN层和p型GaN层，其中，该发光二极管一侧的p型GaN层、p型AlGaN层、多量子阱和部分的n型GaN层被刻蚀形成台阶；
p型复合透明导电层，形成于所述发光二极管未经刻蚀一侧的所述p型GaN层上，自下而上依次包括：ITO透明接触层、ZnO基电流扩展层、ITO导光层；
p型金属电极层和n型金属电极层，分别形成于所述发光二极管未经刻蚀一侧的ITO导光层上和所述发光二极管被刻蚀一侧的所述台阶上。
2.根据权利要求1所述的发光二极管，其特征在于，所述ITO透明接触层的厚度为40nm，所述ZnO基电流扩展层的厚度为330nm，所述ITO导光层的厚度为40nm。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，所述多量子阱层为8对GaN和InGaN组成的多量子阱。
4.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，所述n型金属电极层和p型金属电极层的材料为Cr/Pt/Au。
5.根据权利要求1或2所述的发光二极管，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石。
6.一种权利要求1至5中任一项所述采用复合透明导电层的发光二极管的制备方法，其特征在于，包括：
步骤A，在衬底上依次逐层生长GaN缓冲层、n型GaN层、多量子阱、p型AlGaN层，p型GaN层，退火得到GaN外延片；
步骤B：在所述外延片上沉积ITO透明接触层、ZnO基电流扩展层和ITO导光层；
步骤C，在GaN外延片上旋涂光刻胶，采用台面板光刻出芯片，在每个芯片上刻蚀台面，形成台阶，去除台面上未刻蚀部分残留的光刻胶，采用电极板在ITO导光层和n型GaN层上光刻出电极图形；以及
步骤D，在电极图形沉积电极金属，剥离掉台面上电极图形以外区域的光刻胶，形成n型金属电极层和p型金属电极层，完成发光二极管的制备。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B中，采用电子束蒸发的方式沉积ITO透明接触层，采用磁控溅射的方式生长ZnO基电流扩展层，采用电子束蒸发的方式沉积ITO导光层。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A中，采用MOCVD方法在衬底上依次逐层生长GaN缓冲层、n型GaN层、多量子阱、p型AlGaN层，p型GaN层。
9.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤C中，采用ICP方法在GaN外延片上刻蚀台面。
10.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤D中，采用电子束蒸发的方式沉积电极金属，形成n型金属电极层和p型金属电极层。
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Application publication date: 20140416

Assignee: SHANXI ZHONGKE ADVANCED ULTRAVIOLET OPTOELECTRONICS TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: X2021980000962

Denomination of invention: Light emitting diode with composite transparent conductive layer and its preparation method

Granted publication date: 20170714

License type: Exclusive License

Record date: 20210203