CN104659179A - 用于GaN基LED的抗反射透明电极结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种透明电极结构及其制备方法，尤其是一种用于GaN基LED的抗反射透明电极结构及其制备方法，属于半导体LED的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述用于GaN基LED的抗反射透明电极结构，包括GaN基板；所述GaN基板上设有纳米柱层，在所述纳米柱层上覆盖有ITO层；所述纳米柱层包括若干相互独立的TiO2纳米柱，在所述TiO2纳米柱的外侧设有柱隔离孔，ITO层覆盖在TiO2纳米柱上，并填充在柱隔离孔内，以使得ITO层与GaN基板欧姆接触。本发明结构紧凑，能显著提高GaN基正装LED的光抽取效率，工艺简单，成本低，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种透明电极结构及其制备方法，尤其是一种用于GaN基LED的抗反射透明电极结构及其制备方法，属于半导体LED的技术领域。
背景技术
未来固体照明应用的普及取决于高光效GaN基LED制备技术的发展，制约GaN基正装LED性能提升的基本障碍之一是其构成材料的高折射率(相对于外部介质)。由于GaN基材料(n＝2.3)和空气介质(n＝1)折射率之间的显著差异，造成GaN基正装LED的光逃逸锥角偏小，大部分光难以从器件内部出射而损耗，限制了器件的光抽取效率。所以一直以来，大量的研究工作都致力于如何提高器件的光抽取效率，例如ITO表面粗化、渐变折射率层、图形化蓝宝石衬底、热酸侧壁腐蚀、全向反射镜、光子晶体、器件几何形状优化等方法相继引入进来。
考虑到GaN基正装LED顶面出光占总出光的比重最大，提升器件效率的有效途径之一便是减少界面菲涅尔反射，增大器件内部发光的出射几率。目前增强表面抗反射的方法大致有以下两种：1)、表面抗反射镀膜；2)、亚波长级表面微形貌结构。前者基本上用于遏制某一波长的法向反射，对于偏离法向的反射作用较弱，具有明显的方向性，后者能够提供宽波长范围内的全向抗反射效果，因而是LED业内格外关注的技术方向。对于GaN基正装LED来讲，亚波长级表面微形貌结构的挑战在于找到一种适合蓝绿短波长范围(430-600nm)的，而且成本低廉、可控性好的制备方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于GaN基LED的抗反射透明电极结构及其制备方法，其结构紧凑，能显著提高GaN基正装LED的光抽取效率，工艺简单，成本低，安全可靠。
按照本发明提供的技术方案，所述用于GaN基LED的抗反射透明电极结构，包括GaN基板；所述GaN基板上设有纳米柱层，在所述纳米柱层上覆盖有ITO层；所述纳米柱层包括若干相互独立的TiO2纳米柱，在所述TiO2纳米柱的外侧设有柱隔离孔，ITO层覆盖在TiO2纳米柱上，并填充在柱隔离孔内，以使得ITO层与GaN基板欧姆接触。
所述TiO2纳米柱的高度、直径均位于1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
一种用于GaN基LED的抗反射透明电极结构的制备方法，所述抗反射透明电极结构的制备方法包括如下步骤：
a、提供GaN基板，并在所述GaN基板上设置TiO2纳米层；
b、在上述TiO2纳米层上设置纳米薄层，所述纳米薄层覆盖在TiO2纳米层上；
c、对纳米薄层进行退火，以使得纳米薄层在TiO2纳米层上自然团聚成若干密集排布的纳米点，在纳米点的外侧形成纳米点孔；
d、利用纳米点为掩膜，对TiO2纳米层进行干法刻蚀，直至得到位于GaN基板上若干相互独立的TiO2纳米柱；
e、去除上述纳米点，并在TiO2纳米柱上沉积ITO层，所述ITO层能与GaN基板接触；
f、对ITO层进行退火，以使得ITO层与GaN基板欧姆接触。
所述TiO2纳米层采用电子束蒸发沉积在GaN基板上，TiO2纳米层的厚度为1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
所述纳米薄层为Ag层，纳米薄层通过电子束蒸发或磁控溅射沉积在TiO2纳米层上。
所述纳米薄层退火形成纳米点的温度范围450℃-550℃，纳米点的直径为1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
所述纳米点的直径为200nm～500nm。
对ITO层进行退火以使得ITO层与GaN基板欧姆接触的退火温度为450℃-650℃。
所述ITO层通过电子束蒸发或反应等离子体方式沉积在TiO2纳米柱上。
本发明具有如下优点：
1、由GaN基板上亚微米尺度的TiO2纳米柱和覆盖其上的ITO层构成，在GaN基LED发光波段范围内，TiO2纳米柱与GaN材料的折射率相互匹配且穿透率高，可以避免TiO2纳米柱与LED器件之间的菲涅尔反射损失。
2、利用自然光刻图形技术获得高密度的TiO2纳米柱图形，生产成本低廉，图形尺寸大小容易控制，分布集中，重复性高，结合对TiO2纳米柱沉积厚度的精确控制，实现对TiO2纳米柱几何尺寸的光抽取优化，最大限度的提高器件内部发光的出射几率。
3、借助ICP蚀刻对化学和物理蚀刻机制的良好控制性，采用两段不同参数条件的组合刻蚀，将亚微米尺度的自然光刻图形转移至TiO2纳米层，尽可能减轻对P-GaN基板造成表面损伤。
4、采用快速退火完成ITO层与GaN基板的欧姆接触，同时修复干法蚀刻对P-GaN基板的蚀刻损伤，不会影响LED的电学特性。
附图说明
图1为现有透明电极结构的示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3～图11为本发明制备透明电极结构的具体实施工艺步骤剖视图，其中
图3为本发明GaN基板的剖视图。
图4为本发明得到TiO2纳米层后的剖视图。
图5为本发明得到纳米薄层后的剖视图。
图6为本发明得到纳米点后的剖视图。
图7为本发明进行第一次干法刻蚀后的剖视图。
图8为本发明进行第二次干法刻蚀后的剖视图。
图9为本发明得到TiO2纳米柱后的剖视图。
图10为本发明沉积ITO层后的剖视图。
图11为本发明退火使得ITO层与GaN基板欧姆接触后的剖视图。
附图标记说明：1-GaN基板、2-TiO2纳米柱、3-柱隔离孔、4-ITO层、5-TiO2纳米层、6-纳米薄层、7-纳米点、8-纳米点孔、9-第一刻蚀槽、10-第二刻蚀槽以及11-ITO平层。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示：为现有LED透明电极结构的示意图，具体为在GaN基板1上设置ITO平层11，ITO平层11与GaN基板1欧姆接触，此种结构的透明电极结构具有较低的光抽取效率。
如图2所示，为了获得较高的光抽取效率，本发明包括GaN基板1；所述GaN基板1上设有纳米柱层，在所述纳米柱层上覆盖有ITO层4；所述纳米柱层包括若干相互独立的TiO2纳米柱2，在所述TiO2纳米柱2的外侧设有柱隔离孔3，ITO层4覆盖在TiO2纳米柱2上，并填充在柱隔离孔3内，以使得ITO层4与GaN基板1欧姆接触。
具体地，TiO2纳米柱2在GaN基LED的发光波段范围内与GaN材料折射率相互匹配且穿透率高，GaN基板1与TiO2纳米柱2的界面不会存在菲涅尔反射损失，借助TiO2纳米柱2的几何形状可显著增大光入射至空气介质的几率，即达到获得高光抽取效率的目的。
为了能进一步确保出光的最大化，所述TiO2纳米柱2的高度、直径均位于1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
如图3～图11所示，上述GaN基LED的抗反射透明电极结构可以通过下述具体工艺过程制备得到，所述制备方法具体包括如下步骤：
a、提供GaN基板1，并在所述GaN基板1上设置TiO2纳米层5；
如图3和图4所示，所述GaN基板1为P-GaN基板，所述TiO2纳米层5采用电子束蒸发沉积在GaN基板1上，TiO2纳米层5的厚度为1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。一般地，GaN基LED的波长范围为430nm-600nm，也即是，TiO2纳米层5的厚度范围为100-600nm。
b、在上述TiO2纳米层5上设置纳米薄层6，所述纳米薄层6覆盖在TiO2纳米层5上；
如图5所示，所述纳米薄层6为Ag层，纳米薄层6通过电子束蒸发或磁控溅射沉积在TiO2纳米层5上。
c、对纳米薄层6进行退火，以使得纳米薄层6在TiO2纳米层5上自然团聚成若干密集排布的纳米点7，在纳米点7的外侧形成纳米点孔8；
如图6所示，所述纳米薄层6退火形成纳米点7的温度范围450℃-550℃，退火方式为快速退火(RTA)。纳米薄层6的厚度与纳米点7的直径相关，所述纳米点7的直径为200nm～500nm。经过退火形成纳米点7后，能在TiO2纳米层5上获得自然光刻图形。在纳米薄层6团聚形成纳米点7后，在纳米点7的外侧即得到纳米点孔8，通过纳米点孔8能使得TiO2纳米层5部分裸露。对Ag纳米薄层6进行退火以团聚形成纳米点7的具体工艺过程为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。
d、利用纳米点7为掩膜，对TiO2纳米层5进行干法刻蚀，直至得到位于GaN基板1上若干相互独立的TiO2纳米柱2；
在具体实施时，对TiO2纳米层5进行干法刻蚀得到TiO2纳米柱2的过程包括如下步骤：
d1、利用纳米点7作为遮挡，对通过纳米点孔8裸露部分的TiO2纳米层5进行干法刻蚀，此刻蚀步骤中，不会对由纳米点孔8裸露部分的TiO2纳米层5完全刻蚀掉，仅会去除部分的TiO2纳米层5，如图7所示。
具体地，利用Ag纳米点7作为掩膜，利用ICP干法刻蚀去除无纳米点7覆盖区域的TiO2纳米层5，转移Ag纳米点7的自然光刻图形，工艺条件中，刻蚀气体为CHF3，刻蚀过程中物理轰击较强，等离子体密度较高，速率较快，刻蚀条件为900W ICP power，400W bias power，60sccm，25mTorr，去除部分厚度的TiO2纳米层5；去除部分的TiO2纳米层5后，在纳米点7外部的两侧形成第一刻蚀槽9，剩余部分的TiO2纳米层5形成第一刻蚀槽9的槽底。
d2、利用纳米点7，对通过由第一刻蚀槽9裸露部分的TiO2纳米层5继续进行干法刻蚀，直至将第一刻蚀槽9槽底部分的TiO2纳米层5完全刻蚀干净，即得到若干相互独立的TiO2纳米柱2，同时形成第二刻蚀槽10，通过第二刻蚀槽10能形成柱隔离孔3，如图8所示。
具体地，此干法刻蚀中，与上述的干饭刻蚀参数有所不同，以达到物理轰击较弱，等离子体密度较低，速率较慢，以尽可能减少P-GaN基板1表面的损伤。具体实施工艺条件为600W ICP power，250W bias power，60sccm，25mTorr。在具体实施时，可以根据需要选择相应的工艺条件，只要能够得到TiO2纳米柱2即可，干法刻蚀工艺参数的确定为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。
e、去除上述纳米点7，并在TiO2纳米柱2上沉积ITO层4，所述ITO层4能与GaN基板1接触；
如图9和图10所示，一般地，去除纳米点7可以采用稀硝酸，具体工艺过程以及条件均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。所述ITO层4通过电子束蒸发或反应等离子体方式沉积在TiO2纳米柱2上。
f、对ITO层4进行退火，以使得ITO层4与GaN基板1欧姆接触。
如图11所示，对ITO层4进行退火以使得ITO层4与GaN基板1欧姆接触的退火温度为450℃-650℃。对ITO层4采用快速退火，在使得ITO层4与GaN基板1欧姆接触的同时，能够修复干法刻蚀对P-GaN基板1的损伤。
本发明由GaN基板1上亚微米尺度的TiO2纳米柱2和覆盖其上的ITO层4构成，在GaN基LED发光波段范围内，TiO2纳米柱2与GaN材料的折射率相互匹配且穿透率高，可以避免TiO2纳米柱2与LED器件之间的菲涅尔反射损失。
利用自然光刻图形技术获得高密度的TiO2纳米柱2图形，生产成本低廉，图形尺寸大小容易控制，分布集中，重复性高，结合对TiO2纳米柱2沉积厚度的精确控制，实现对TiO2纳米柱2几何尺寸的光抽取优化，最大限度的提高器件内部发光的出射几率。
借助ICP蚀刻对化学和物理蚀刻机制的良好控制性，采用两段不同参数条件的组合刻蚀，将亚微米尺度的自然光刻图形转移至TiO2纳米层5，尽可能减轻对P-GaN基板1造成表面损伤。
采用快速退火完成ITO层4与GaN基板1的欧姆接触，同时修复干法蚀刻对P-GaN基板1的蚀刻损伤，不会影响LED的电学特性。
Claims (9)
1.一种用于GaN基LED的抗反射透明电极结构，包括GaN基板(1)；其特征是：所述GaN基板(1)上设有纳米柱层，在所述纳米柱层上覆盖有ITO层(4)；所述纳米柱层包括若干相互独立的TiO2纳米柱(2)，在所述TiO2纳米柱(2)的外侧设有柱隔离孔(3)，ITO层(4)覆盖在TiO2纳米柱(2)上，并填充在柱隔离孔(3)内，以使得ITO层(4)与GaN基板(1)欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的用于GaN基LED的抗反射透明电极结构，其特征是：所述TiO2纳米柱(2)的高度、直径均位于1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
3.一种用于GaN基LED的抗反射透明电极结构的制备方法，其特征是，所述抗反射透明电极结构的制备方法包括如下步骤：
(a)、提供GaN基板(1)，并在所述GaN基板(1)上设置TiO2纳米层(5)；
(b)、在上述TiO2纳米层(5)上设置纳米薄层(6)，所述纳米薄层(6)覆盖在TiO2纳米层(5)上；
(c)、对纳米薄层(6)进行退火，以使得纳米薄层(6)在TiO2纳米层(5)上自然团聚成若干密集排布的纳米点(7)，在纳米点(7)的外侧形成纳米点孔(8)；
(d)、利用纳米点(7)为掩膜，对TiO2纳米层(5)进行干法刻蚀，直至得到位于GaN基板(1)上若干相互独立的TiO2纳米柱(2)；
(e)、去除上述纳米点(7)，并在TiO2纳米柱(2)上沉积ITO层(4)，所述ITO层(4)能与GaN基板(1)接触；
(f)、对ITO层(4)进行退火，以使得ITO层(4)与GaN基板(1)欧姆接触。
4.根据权利要求3所述用于GaN基LED的抗反射透明电极结构的制备方法，其特征是：所述TiO2纳米层(5)采用电子束蒸发沉积在GaN基板(1)上，TiO2纳米层(5)的厚度为1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
5.根据权利要求3所述用于GaN基LED的抗反射透明电极结构的制备方法，其特征是：所述纳米薄层(6)为Ag层，纳米薄层(6)通过电子束蒸发或磁控溅射沉积在TiO2纳米层(5)上。
6.根据权利要求5所述用于GaN基LED的抗反射透明电极结构的制备方法，其特征是：所述纳米薄层(6)退火形成纳米点(7)的温度范围450℃-550℃，纳米点(7)的直径为1/4λ～λ，其中，λ为GaN基LED出光的光波长。
7.根据权利要求6所述用于GaN基LED的抗反射透明电极结构的制备方法，其特征是：所述纳米点(7)的直径为200nm～500nm。
8.根据权利要求3所述用于GaN基LED的抗反射透明电极结构的制备方法，其特征是：对ITO层(4)进行退火以使得ITO层(4)与GaN基板(1)欧姆接触的退火温度为450℃-650℃。
9.根据权利要求3所述用于GaN基LED的抗反射透明电极结构的制备方法，其特征是：所述ITO层(4)通过电子束蒸发或反应等离子体方式沉积在TiO2纳米柱(2)上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150527 |