CN104617198A

CN104617198A - 利用ito区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管及制作方法

Info

Publication number: CN104617198A
Application number: CN201310542924.XA
Authority: CN
Inventors: 王德晓; 刘存志; 夏伟; 王成新; 任忠祥
Original assignee: Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Shandong Inspur Huaguang Optoelectronics Co Ltd
Priority date: 2013-11-05
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明涉及利用ITO区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管及制作方法。该发光二极管的结构包括生长在衬底上的外延片，位于外延片之上的ITO薄膜，金属电极和钝化层；ITO薄膜上有方阻高低不同的三个ITO区域，高方阻ITO区域III位于金属电极下方，低方阻ITO区域I通过掩膜图案形成，以金属电极为中心延伸到边缘，呈枝杈形状。本发明还提供所述发光二极管的制作方法。本发明通过对ITO层进行选择性区域上的方阻提高或降低，起到引导电流扩展的路径作用，不增设电流阻挡层，仅靠电流扩展层ITO进行区域性处理就能改善发光二极管的电流扩展均匀性，提高发光效率，同时避免芯片电压高的情况发生。

Description

利用ITO区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管及制作方法

技术领域

本发明涉及一种利用ITO区域性方阻变化改善发光二极管电流扩展的方法，尤其涉及利用ITO区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管及其制作方法，属于发光二极管半导体材料技术领域。

背景技术

LED为英文Light Emitting Diode发光二极管的缩写，作为一种新型照明光源，具有体积小、节能、冷光源、相应速度快等优点。蓝光LED芯片外延结构主要是氮化镓GaN，氮化镓GaN本征是N型，非故意掺杂GaN外延载流子浓度是10e14，N型一般掺杂SiH4，载流子浓度也就10e19～10e20，GaN的P型掺杂由于H对Mg的钝化作用，导致P型掺杂浓度不高，电阻率大，而且P型层表面到发光区的纵向距离远远小于整个芯片的横向距离，纵向的电阻远小于横向电阻情况下，电流直接纵向流入发光区，而不往P型表面的横向方向扩展。为了增加电流横向的扩展，在P型层表面蒸镀电阻率更低的透明导电薄膜，常用此类薄膜有氧化铟锡（ITO）、氧化锌（ZnO）、氧化镉锡（CTO）、氧化铟（InO）等。但是仅增加透明导电薄膜后，电流仍然倾向于纵向流动，而且电流距离电流注入点越远电流密度越低，导致芯片在电流注入周围发光最亮，距离注入处越远，亮度发生急剧下降，从整个芯片表面看发光不均匀。而且在P电极与N电极最近处，为电流经过最短路径，电流集中在此路径上，从而发生电流拥挤的现象，在电流拥挤处易出现过热、ESD击穿，而使芯片寿命降低、可靠性变差。为了使电流分布均匀，采取的通常方法有以下三种：

第一种方法：电极图形化，通过特殊设计的导电结构引导电流横向分布，如中国专利文件CN201010558741.3《一种能增强横向电流扩展的发光二极管》，采用网状结构的透明导电层来增强电流的横向扩展，但是网状的结构中的空洞是不导电的，整体芯片的电压会比没有空洞的透明导电层结构升高。为了保证芯片整体电压降低，就需要对外延层电压降低提出更高要求，从而增加的外延工艺的难度和成本的上升。

第二种方法：增加电流阻挡层，即在P金属电极下面增加比电极略微宽的不导电层，这个不导电层使得电流不从电极处直接向下注入，如中国专利文件CN200820213577.0,提供一种改善电流扩展效率的发光二极管，该发光二极管包括衬底、N型电流扩展层、多量子阱有源发光区、P型电流扩展层、透明导电层、P电极及N电极，其中，所述的P型电流扩展层内形成有一电流阻挡区，该电流阻挡区内设置有电流阻挡层，它能使P型电极注入的电流横向扩展到电极下方以外的有源发光区，使P电极下方无电流，不发光，增加了二极管发光效率，减少了焦耳热的产生，提高了器件的热性能、寿命及可靠性。但是增加的一层电流阻挡层，使得管芯工艺变复杂，成本升高。

第三种方法：P电极下掩埋绝缘层进行二次外延。如中国专利文件CN201010273166.2《一种具有电流阻挡层氮化镓基发光二极管的制作方法》，通过在p型氮化镓基外延层之上引入一非掺杂氮化镓基外延层以形成电流阻挡层。此方法需要在非掺杂氮化镓基外延层之上镀一金属层作为掩膜以覆盖整个电流阻止区；采用电化学蚀刻将电流阻止区之外的非掺杂氮化镓基外延层去除。这种方法步骤复杂，外延生长难度大，且对处理后外延层清洁度要求高，这都增加了实现量产的难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种改善发光二极管电流扩展的方法，本发明还提供利用ITO区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管及其制作方法。

术语解释：

ITO：Indium Tin Oxide，氧化铟锡，是一种透明导电薄膜；

LED：Light Emitting Diode，发光二极管；其结构包括生长在衬底上的外延片，位于外延片之上的ITO薄膜，金属电极和钝化层。

ICP：Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子体；

PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法。

方阻：是方块电阻的通用简称，方块电阻又称膜电阻，是用于间接表征薄膜膜层及样品上的真空镀膜的热红外性能的测量值，该数值大小可直接换算为热红外辐射率。方块电阻的大小与样品尺寸无关，其单位为欧姆/方，用于膜层测量又称为膜层电阻。

本发明的技术方案如下：

一、一种改善发光二极管电流扩展的方法

一种利用ITO区域性方阻变化改善发光二极管电流扩展的方法，所述的发光二极管结构包括生长在衬底上的外延片，位于外延片之上的ITO薄膜，金属电极和钝化层，其特征在于将ITO薄膜制作成方阻不同的三个区域性，低方阻ITO区域I、中方阻ITO区域II和高方阻ITO区域III，方阻大小为：低方阻ITO区域I<ITO薄膜层II<高方阻ITO区域III；所述高方阻ITO区域III位于金属电极下方，所述低方阻ITO区域I通过掩膜图案形成，以金属电极为中心延伸到边缘，呈枝杈形状，其余为中方阻ITO区域II。该方法不设电流阻挡层，仅通过选择性区域上的方阻提高或降低，起到引导电流扩展的路径作用。

制作高方阻ITO区域III的方法，采用氧化退火法增大方阻形成高方阻ITO区域III或者通过腐蚀或刻蚀减薄区域III的ITO薄膜层形成高方阻ITO区域III。根据现有技术即可。

制作低方阻ITO区域I的方法，可以采用在ITO薄膜上制备掩膜图案，将无掩膜区域通过腐蚀或刻蚀减薄成为ITO区域II，去除掩膜后的区域为低方阻ITO区域I；根据现有技术即可。

优选的，该方法用于氮化镓基蓝光LED或铝镓铟磷四元红光LED。

二、一种利用ITO区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管

一种利用ITO区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管，该发光二极管的结构包括生长在衬底上的外延片，位于外延片之上的ITO薄膜，金属电极和钝化层；其中，ITO薄膜上有低方阻ITO区域I、中方阻ITO区域II和高方阻ITO区域III，方阻大小为：低方阻ITO区域I<中方阻ITO区域II<高方阻ITO区域III；

所述高方阻ITO区域III位于金属电极下方，以减少电极下电流无效发光，引导电流往电极以外的区域扩散；

所述低方阻ITO区域I通过掩膜图案形成，以金属电极为中心延伸到边缘，呈枝杈形状，以引导电流沿着方阻较小的枝杈由电极中心往边缘扩散，提高边缘的发光亮度。

所述的枝杈形状，根据本领域工艺上的便利，具体形状不比特别限定，只要其一端与中心电极的电路连通，能实现引导电流扩展的路径作用即可。本领域的人员根据其知悉的技术可以变通采用不同的方案。本发明优选提供所述的枝杈形状由若干长方条形构成，以电极为中心对称地向边缘呈放射状，主枝杈一端与电极接触，分支杈一端连通主枝杈，另一端延伸到P型层边缘，以使电流沿着枝杈由电极中心往边缘扩散。

根据本发明优选的，低方阻ITO区域I的方阻为5～10欧姆/方；中方阻ITO区域II的方阻为10～15欧姆/方；高方阻ITO区域III的方阻为50～70欧姆/方。

根据本发明优选的，所述高方阻ITO区域III面积小于金属电极图案，比金属电极边缘向内缩小5-8微米。

根据本发明优选的，所述低方阻ITO区域I光透过率为75%至85%。

三、本发明上述发光二极管的制作方法

一种利用ITO区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：生长LED外延片，

步骤2：在外延片表面生长ITO薄膜；

步骤3：在ITO薄膜上制作低方阻ITO区域I、高方阻ITO区域III；其余区域为中方阻ITO区域II；

步骤4：在ITO上制作金属电极、钝化层，金属电极位于高方阻ITO区域III的上方，完成LED芯片的制作。

根据本发明优选的，步骤3中：在ITO薄膜上制作低方阻ITO区域I的方法，可采用在ITO薄膜上制备枝杈形状的掩膜图案，将无掩膜区域通过腐蚀或刻蚀减薄，形成ITO区域II，去除掩膜后的区域为低方阻ITO区域I；

根据本发明另一种优选的方案，步骤3中：在ITO薄膜上制作低方阻ITO区域I的方法，还可采用在ITO薄膜设定的枝杈形状图形区域上通过二次电子束蒸镀或磁控溅射加厚ITO薄膜，形成低方阻ITO区域I；

根据本发明优选的，步骤3中：在ITO薄膜上制作高方阻ITO区域III的方法是，在ITO薄膜层上，设定面积小于金属电极的区域III，对于该区域之外的部分制作掩膜，对于区域III采用氧化退火法增大方阻形成高方阻ITO区域III或者通过腐蚀或刻蚀减薄区域III形成高方阻ITO区域III。

本发明所述掩膜材料为光刻胶或SiO₂，若选择光刻胶为掩膜，其制备方法包括涂胶，曝光，显影步骤；若选择SiO₂为掩膜，其制备方法包括生长SiO₂薄膜、涂光刻胶、曝光，显影湿法腐蚀，去胶步骤；均可按现已技术。

优选的，本发明所述外延片包括氮化镓基蓝光LED外延片、铝镓铟磷四元红光LED外延片；外延片的结构依次为衬底、缓冲层、N型层、多量子阱、P型层；

优选的，所述在外延片表面生长ITO薄膜的方法为电子束蒸镀、等离子辅助电子束蒸镀或磁控溅射法；按现有技术即可。

根据本发明优选的，所述增大ITO方阻III的制备方法包括两大类型：减薄厚度增大方阻和氧化退火增大方阻；优选的，所述减薄ITO厚度的方法采用湿法腐蚀或干法刻蚀；

根据本发明优选的，所述电极层材料为金、铝、钛、铂、铬之一，或这些材料的组合；

根据本发明优选的，所述钝化层为SiO₂、SiN或SiON。

本发明的特点及有益效果：

为了克服现有技术增强电流扩展采取的各种技术措施所带来的缺陷，本发明采用全新的方法来实现改善发光二极管电流扩展，通过对ITO层进行选择性区域上的方阻提高或降低，起到引导电流扩展的路径作用，并没有产生不导电的空洞，所以既能起到增强电流扩展的均匀性，同时可以避免芯片电压高的情况发生；另一方面，本发明没有增设电流阻挡层，仅靠电流扩展层ITO进行区域性处理就能改善发光二极管的电流扩展均匀性，从而提高发光效率。本发明方法简化了工艺流程、降低了生产成本，特别适合大规模化生产。

附图说明

图1是完成步骤2的ITO薄膜II的芯片结构的侧视示意图；

图2是完成步骤3低方阻ITO区域I的的芯片结构的侧视示意图；

图3是完成步骤3高方阻ITO区域III的芯片结构的侧视示意图；

图4是完成步骤4的芯片结构的侧视示意图；

图5是完成步骤4的芯片结构的俯视示意图。

图1至图5中，10为衬底，20为外延层，40为ITO导电薄膜，30为低方阻ITO区域I，40为中方阻ITO区域II，50为高方阻ITO区域III，60为金属电极，70为钝化层。31、长主枝杈，32、短主枝杈，33、分枝杈。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例制备过程中各步骤完成后芯片结构的示意图如图1、2、3、4、5所示。

实施例1、一种利用ITO区域性方阻变化改善发光二极管电流扩展的方法，所述的发光二极管结构包括生长在衬底10上的外延片，位于外延片之上的ITO薄膜40，金属电极60和钝化层70。其中，将ITO薄膜制作成方阻不同的三个区域性，低方阻ITO区域I、中方阻ITO区域II和高方阻ITO区域III，低方阻ITO区域I的方阻为5～10欧姆/方；中方阻ITO区域II的方阻为10～15欧姆/方；高方阻ITO区域III的方阻为50～70欧姆/方。所述高方阻ITO区域III位于金属电极下方，面积小于金属电极图案，比金属电极边缘向内缩小5-8微米；所述低方阻ITO区域I通过掩膜图案形成，以金属电极为中心延伸到边缘，呈枝杈形状，引导电流沿着方阻较小的枝杈由电极中心往边缘扩散。其余为中方阻ITO区域II。该方法用于氮化镓基蓝光LED或铝镓铟磷四元红光LED的生产。

实施例2、一种改善电流扩展的发光二极管及其制作方法

步骤1：制备LED外延片

外延片包括氮化镓基蓝光LED或铝镓铟磷四元红光LED外延片；外延片主要结构包括衬底10、外延层20。其中所述衬底选自蓝宝石、砷化镓、硅或碳化硅；所述的外延层包括缓冲层、N型层、多量子阱、P型层；

步骤2：在外延片表面生长ITO薄膜

在外延层上制备ITO薄膜，见图1，制备方法包括采用二次电子束蒸镀、等离子辅助电子束蒸镀或磁控溅射等；优选的，电子束蒸镀ITO薄膜30，蒸镀速率为1至1.5埃/秒，蒸镀温度为200至300摄氏度，ITO薄膜厚度为3500埃至5000埃，方阻为5至10欧姆/方，退火后光透过率为75%至85%；

步骤3：在ITO薄膜上制作形成低方阻ITO区域I30、中方阻ITO区域II40和高方阻ITO区域III50

在ITO薄膜上制备掩膜，湿法腐蚀或ICP刻蚀将无掩膜覆盖区域ITO减薄形成40层（ITO区域II），然后去胶，见图2。其中掩膜的图案是从电极中心延伸到整个P型层边缘的枝杈形状，由若干长方条形构成，以电极为中心对称地向边缘呈放射状设置，主枝杈一端与电极接触，分枝杈一端连通主支杈，另一端延伸到P型层边缘，以使电流沿着枝杈由电极中心往边缘扩散；例如：2个长主枝杈31和2个短主枝杈32一端与电极接触，2个分枝杈33一端连通长主支杈，如图5所示。枝杈形状上ITO厚度要比无掩膜区域厚0.5至1倍，形成低方阻ITO区域I，这样做的目的是将电流能沿着方阻较小的枝杈由电极中心往边缘走，提高边缘的发光亮度。

优选的，在ITO薄膜30上进行甩胶、曝光、显影、坚膜，然后用盐酸、三氯化铁配制的腐蚀液或ICP刻蚀方法将无掩膜覆盖区域的ITO减薄并粗化到2500埃至3000埃形成40层，减薄区域40的ITO方阻为10至15欧姆/方，高于掩膜图案的30层处ITO方阻，形成中方阻ITO区域，该40层在455纳米波长处的透过率为90%以上；

制备方阻高ITO区域III：

在上述形成的中方阻ITO区域中心P电极的位置，制作掩膜图案，湿法腐蚀或是氧气退火形成高方阻层ITO区域III。选择SiO₂作掩膜，方法包括生长SiO₂薄膜、甩胶，曝光，显影，湿法腐蚀或是氧气退火，去胶。其中，所述掩膜图案，比P电极图案内缩5至8微米，见图5。如采用湿法腐蚀，将P电极下方内缩5至8微米区域的ITO减薄或直接去除；如果采用氧气退火，则对该区域内的ITO进行氧气退火形成高方阻层50（高方阻ITO区域III）。这样做的目的是减少电极下电流在量子阱的无效发光，引导电流往电极以外的区域扩散；

步骤4：在ITO薄膜的高方阻ITO区域III上制作金属电极，然后在ITO薄膜上制作钝化层，覆盖全部ITO的的三个区域，完成LED芯片的制作。

本步骤中电极材料可以为金、铝、钛、铂或铬，采用真空电子束方法进行镀膜；钝化层为SiO₂、SiN或SiON，采用PECVD方法进行镀膜。

采用这种利用ITO区域性方阻变化的芯片比ITO薄膜均一方阻的芯片，光通量提高3%以上。

Claims

1.一种利用ITO区域性方阻变化改善发光二极管电流扩展的方法，所述的发光二极管结构包括生长在衬底上的外延片，位于外延片之上的ITO薄膜，金属电极和钝化层，其特征在于将ITO薄膜制作成方阻不同的三个区域性，低方阻ITO区域I、中方阻ITO区域II和高方阻ITO区域III，方阻大小为：低方阻ITO区域I<ITO薄膜层II<高方阻ITO区域III；所述高方阻ITO区域III位于金属电极下方，所述低方阻ITO区域I通过掩膜图案形成，以金属电极为中心延伸到边缘，呈枝杈形状，其余为中方阻ITO区域II。

2.一种利用ITO区域性方阻变化改善电流扩展的发光二极管，该发光二极管的结构包括生长在衬底上的外延片，位于外延片之上的ITO薄膜，金属电极和钝化层；其特征在于，ITO薄膜上有低方阻ITO区域I、中方阻ITO区域II和高方阻ITO区域III，方阻大小为：低方阻ITO区域I<中方阻ITO区域II<高方阻ITO区域III；

所述高方阻ITO区域III位于金属电极下方，所述低方阻ITO区域I通过掩膜图案形成，以金属电极为中心延伸到边缘，呈枝杈形状。

3.如权利要求2所述的改善电流扩展的发光二极管，其特征在于，所述低方阻ITO区域I的方阻为5～10欧姆/方；所述中方阻ITO区域II的方阻为10～15欧姆/方；所述高方阻ITO区域III的方阻为50～70欧姆/方。

4.一种权利要求2或3所述改善电流扩展的发光二极管的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：生长LED外延片，

步骤2：在外延片表面生长ITO薄膜；

5.如权利要求4所述的发光二极管的制作方法，其特征在于步骤3中：在ITO薄膜上制作低方阻ITO区域I的方法，采用在ITO薄膜上制备枝杈形状的掩膜图案，将无掩膜区域通过腐蚀或刻蚀减薄，形成ITO区域II，去除掩膜后的区域为低方阻ITO区域I。

6.如权利要求4所述的发光二极管的制作方法，其特征在于步骤3中：在ITO薄膜上制作低方阻ITO区域I的方法，还可采用在ITO薄膜设定的枝杈形状图形区域上通过二次电子束蒸镀或磁控溅射加厚ITO薄膜，形成低方阻ITO区域I。

7.如权利要求4所述的发光二极管的制作方法，其特征在于步骤3中：在ITO薄膜上制作高方阻ITO区域III的方法是，在ITO薄膜层上，设定面积小于金属电极的区域III，对于该区域之外的部分制作掩膜，对于区域III采用氧化退火法增大方阻形成高方阻ITO区域III或者通过腐蚀或刻蚀减薄区域III形成高方阻ITO区域III。

8.如权利要求4所述的发光二极管的制作方法，其特征在于所述外延片包括氮化镓基蓝光LED外延片、铝镓铟磷四元红光LED外延片；外延片的结构依次为衬底、缓冲层、N型层、多量子阱、P型层。

9.如权利要求4所述的发光二极管的制作方法，其特征在于所述电极层材料为金、铝、钛、铂、铬之一，或这些材料的组合。

10.如权利要求4所述的发光二极管的制作方法，其特征在于，所述钝化层为SiO₂、SiN或SiON。