CN105742449B - 发光二极管的电极制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光二极管的电极制备方法，其包括以下步骤：提供一半导体外延片，该半导体外延片包括欧姆接触层；在所述欧姆接触层的表面沉积一层氧化后可透明导电的金属薄膜，其中，沉积该金属薄膜时，所述半导体外延片的温度为室温；以及在含氧环境中对所述金属薄膜进行退火形成一透明导电且表面粗糙的电极层。本发明提供的发光二极管的电极制备方法，在室温下沉积金属薄膜，不仅节约能源，而且沉积金属薄膜时设备的真空度容易维持，有利于图形电极的制备，从而降低了制备成本。
Description
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，尤其涉及一种发光二极管的电极制备方法。
背景技术
以发光二极管(LED)为核心的全固态照明光源，称为半导体照明，普遍公认为继白炽灯和荧光灯之后的第三代照明技术。与传统光源相比，半导体照明光源具有节能环保、寿命长、体积小、响应速度快、全固态工作、耐震抗冲击、使用安全等诸多优点，可适用于汽车照明、矿井照明、野外作业和军事行动等特殊场合。
然而，LED外延材料与空气之间较大的折射率差会导致光的全内反射。在LED内部发出的光向外传播时，由于从光密介质进入光疏介质，折射率差导致的全内反射使得仅全内反射角内的光能够进入空气从而出射，而大部分光只能在芯片内部不断反射最终被损耗吸收，严重限制LED芯片的光提取效率从而影响其发光效率的提升。
为了解决上述问题，在LED的电极上采取措施是被证明可行的做法，已经提出了多种方法和结构。公告号为CN100361325C的中国专利提出一种具有抗全反射增透薄膜的发光二极管及其制备方法。该方法先在半导体外延片上沉积一层金属薄膜，然后将该金属薄膜氧化，形成具有起伏表面的金属氧化物电极。然而，该方法要求在沉积金属薄膜时将半导体外延片的温度控制在100℃~400℃，从而使沉积的金属薄膜形成起伏表面。该方法要求提升半导体外延片的温度，造成沉积金属薄膜时设备的真空度维持困难，而且不利于利用简单的光刻胶lift-off工艺来制备图形电极。
发明内容
本发明提供一种在较低温度下，在LED半导体外延片表面沉积金属薄膜来制备表面粗糙化的金属氧化物透明电极的方法。发明人研究发现，室温环境下在LED外延片等表面沉积金属薄膜过程中，由于非平坦的表面覆盖，会在LED外延片等表面形成大的金属或合金的微晶颗粒。尤其，在LED外延片表面进行粗糙化处理之后，更容易形成大的金属或合金的微晶颗粒。在接下来的高温氧化过程中，这些大的金属或合金颗粒会转化成透明的氧化物，同时由于密度上的变化，会在颗粒表面形成应力，伴随着应力的释放，所制备的金属氧化物透明电极层的表面粗糙度也得到了增强。这些表面粗糙的金属氧化物透明电极层可以提高LED的光散射能力，进而提升了LED的光提取效率。
一种发光二极管的电极制备方法，其包括以下步骤：提供一半导体外延片，该半导体外延片包括欧姆接触层；在所述欧姆接触层的表面沉积一层氧化后可透明导电的金属薄膜，其中，沉积该金属薄膜时，所述半导体外延片的温度为室温；以及在含氧环境中对所述金属薄膜进行退火形成一透明导电且表面粗糙的电极层。
如上述发光二极管的电极制备方法，所述金属薄膜的材料包括但不限于铟、锌、锡中的一种或多种。所述金属薄膜的材料可以是单质的金属，也可是合金。所述金属薄膜的厚度为1纳米~1微米。
如上述发光二极管的电极制备方法，沉积该金属薄膜时，所述半导体外延片的温度为20℃~40℃。
所述金属薄膜的沉积包括但不限于热蒸发、电子束蒸发、溅射等真空制备技术。
如上述发光二极管的电极制备方法，所述含氧环境包括但不限于氧气、空气、或氧气和氮气的混合气；所述退火温度为100℃~1000℃；退火时间为1秒~10000秒。
如上述发光二极管的电极制备方法，进一步包括在该欧姆接触层的表面沉积一透明导电层的步骤，且所述金属薄膜沉积在该透明导电层的表面。所述透明导电层包括但不限于氧化锌、氧化铟锡。
如上述发光二极管的电极制备方法，在所述欧姆接触层的表面沉积一层氧化后可透明导电的金属薄膜之前，进一步包括一对该欧姆接触层的表面进行粗糙化的步骤。所述粗糙化的方法包括但不限于等离子刻蚀、酸腐蚀、光刻刻蚀等。
如上述发光二极管的电极制备方法，进一步包括在该欧姆接触层的表面利用光刻工艺制备一图案化的光刻胶层的步骤，且所述金属薄膜沉积在该图案化的光刻胶层的表面。
如上述发光二极管的电极制备方法，进一步，去除图案化的光刻胶层得到一图案化的金属薄膜，之后在含氧环境中对所述图案化的金属薄膜进行退火之后，得到一图案化的电极层。所述去除图案化的光刻胶层的方法包括但不限于溶液浸泡。
如上述发光二极管的电极制备方法，所述欧姆接触层为p型欧姆接触层或n型欧姆接触层。所述方法可以在p型欧姆接触层和n型欧姆接触层中的一个上制备电极层，也可以同时在两个欧姆接触层制备电极层。
如上述发光二极管的电极制备方法，所述LED包括但不限于GaN基蓝、绿光LED、InGaAlP基红光LED等。所述LED可以是水平结构，也可以是垂直结构。
本发明提供的发光二极管的电极制备方法，在室温下沉积金属薄膜，不仅节约能源，而且沉积金属薄膜时设备的真空度容易维持，有利于图形电极的制备，从而降低了电极的制备成本。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的发光二极管的电极制备方法。
图2为本发明实施例1制备的金属薄膜的原子力显微镜照片。
图3为本发明实施例1制备的金属薄膜退火后的原子力显微镜照片。
图4为本发明实施例2提供的发光二极管的电极制备方法。
图5为本发明实施例3提供的发光二极管的电极制备方法。
图6为本发明实施例4提供的发光二极管的电极制备方法。
图7为本发明实施例5提供的发光二极管的电极制备方法。
图8为本发明实施例6提供的发光二极管的电极制备方法。
图9为本发明实施例7提供的发光二极管的电极制备方法。
主要元件符号说明
| 半导体外延片 | 10 |
| n型欧姆接触层 | 11 |
| 金属薄膜 | 12 |
| 图案化的金属薄膜 | 12a |
| 发光层 | 13 |
| 透明电极 | 14 |
| 图案化的透明电极 | 14a |
| p型欧姆接触层 | 15 |
| 透明导电层 | 16 |
| 粗糙表面 | 17 |
| 图案化的光刻胶层 | 18 |
| 高反射率金属材料层 | 19 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
以下将结合上述附图和不同实施例说明本发明提供的发光二极管的电极制备方法。所述LED可以是水平结构，也可以是垂直结构。本发明实施例以垂直结构为例进行说明。
实施例1
参见图1，本发明实施例1提供的发光二极管的电极制备方法包括以下步骤：
提供一InGaN半导体外延片10，该半导体外延片10包括层叠设置的n型欧姆接触层11、发光层13以及p型欧姆接触层15；
采用溅射技术在所述p型欧姆接触层15的表面沉积一层170纳米In金属薄膜12，其中，沉积该In合金金属薄膜12时，所述半导体外延片10的温度为室温；以及
在氧气和氮气的混合气中对所述In金属薄膜12进行退火形成一表面粗糙的InxO透明电极14，所述退火温度为600℃；退火时间为600秒。
参见图2，为本实施例制备的In金属薄膜12的原子力显微镜照片。参见图3，为本实施例制备的In金属薄膜12在600℃退火后的的原子力显微镜照片。由图2可见，室温沉积的In金属薄膜形成大的金属微晶颗粒。由图3可见，在接下来的高温氧化过程中，这些大的金属或合金颗粒会转化成透明的金属氧化物透明电极层，且所制备的金属氧化物透明电极层的表面粗糙度也得到了增强。
实施例2
参见图4，本发明实施例2提供的发光二极管的电极制备方法包括以下步骤：
提供一GaN半导体外延片10，该半导体外延片10包括层叠设置的n型欧姆接触层11、发光层13以及p型欧姆接触层15；
采用电子束蒸发在所述n型欧姆接触层11的表面沉积一层200纳米Zn金属薄膜12，其中，沉积该Zn金属薄膜12时，所述半导体外延片10的温度为室温；以及
在空气中对所述Zn金属薄膜12进行退火形成一表面粗糙的ZnO透明电极14，所述退火温度为600℃；退火时间为1000秒。
实施例3
参见图5，本发明实施例3提供的发光二极管的电极制备方法包括以下步骤：
提供一GaN基半导体外延片10，该半导体外延片10包括层叠设置的n型欧姆接触层11、发光层13以及p型欧姆接触层15；
在所述p型欧姆接触层15的表面溅射一层ZnO透明导电层16；
采用电子束蒸发在所述ZnO透明导电层16的表面沉积一层150纳米InSn合金金属薄膜12，其中，沉积该InSn合金金属薄膜12时，所述半导体外延片10的温度为室温；以及
在氧气中对所述InSn合金金属薄膜12进行退火形成一表面粗糙的ITO透明电极14，所述退火温度为500℃；退火时间为500秒。
实验表明，相比于常规工艺技术，在同样的注入电流下，不仅工作电压更低，而且发光效率可显著提高。
实施例4
参见图6，本发明实施例4提供的发光二极管的电极制备方法包括以下步骤：
提供一InGaN半导体外延片10，该半导体外延片10包括层叠设置的n型欧姆接触层11、发光层13以及p型欧姆接触层15；
对该p型欧姆接触层15的表面进行粗糙化，得到一粗糙表面17；
采用溅射技术在所述p型欧姆接触层15的粗糙表面17沉积一层400纳米In金属薄膜12，其中，沉积该In合金金属薄膜12时，所述半导体外延片10的温度为室温；以及
在氧气和氮气的混合气中对所述In金属薄膜12进行退火形成一表面粗糙的In2O3透明电极14，所述退火温度为650℃；退火时间为600秒。
本实施例中，所述对该p型欧姆接触层15的表面进行粗糙化的方法为：在外延制备半导体外延片10过程中通过调整工艺参数，如外延生长的温度、各类气体的流量及比例来实现。
实施例5
参见图7，本发明实施例5提供的发光二极管的电极制备方法包括以下步骤：
提供一InGaAlP半导体外延片10，该半导体外延片10包括层叠设置的n型欧姆接触层11、发光层13以及p型欧姆接触层15；
在所述p型欧姆接触层15的表面制备一图案化的光刻胶层18；
采用电子束蒸发在所述图案化的光刻胶层18的表面沉积一层300纳米Sn金属薄膜12，其中，沉积该Sn金属薄膜12时，所述半导体外延片10的温度为室温；
去除图案化的光刻胶层18及光刻胶之上的Sn金属，形成一图案化的Sn金属薄膜12a；
在氧气中对所述图案化的Sn金属薄膜12a进行退火，所述退火温度为600℃；退火时间为350秒，得到一图案化的透明电极14a。
本实施例中，由于室温下沉积Sn金属薄膜12，不会对图案化的光刻胶层18形成破坏。
实施例6
参见图8，本发明实施例6提供的发光二极管的电极制备方法包括以下步骤：
提供一InGaN/GaN半导体外延片10，该半导体外延片10包括层叠设置的n型欧姆接触层11、发光层13以及p型欧姆接触层15；
采用电子束蒸发在所述p型欧姆接触层15的表面沉积一层200纳米的ITO透明导电层16和170纳米的In金属薄膜12，其中，沉积该ITO透明导电层16和In金属薄膜12时，所述半导体外延片10的温度为室温；以及
在空气中对所述金属薄膜12进行退火形成一表面粗糙的InO透明电极14，所述退火温度为600℃；退火时间为15分钟。
本发明实施例6的方法与实施例3的方法基本相同。实验表明，相比于利用ITO制作的透明电极，在同样的注入电流下，不仅工作电压更低，而且发光效率提高了约60%。
实施例7
参见图9，本发明实施例7提供的发光二极管的电极制备方法包括以下步骤：
提供一GaN基半导体外延片10，该半导体外延片10包括层叠设置的n型欧姆接触层11、发光层13以及p型欧姆接触层15；
采用印刷技术在所述n型欧姆接触层11和p型欧姆接触层15的表面分别印刷一层20纳米的Sn金属薄膜12，其中，印刷该Sn金属薄膜12时，所述半导体外延片10的温度为室温；
在空气中对所述金属薄膜12进行退火形成一表面粗糙的SnO透明电极14，所述退火温度为450℃；退火时间为10分钟；以及
在n型欧姆接触层11一侧的再沉积Al等高反射率金属材料层19。
实验表明，相比于常规工艺技术，在同样的注入电流下，不仅工作电压更低，而且发光效率可显著提高。
上述各实施例是对本发明内容作进一步说明，不应理解为本发明的范围仅限于上述实施例，凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明保护的范围。另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种发光二极管的电极制备方法，其包括以下步骤：
提供一半导体外延片，该半导体外延片包括欧姆接触层；
对该欧姆接触层的表面进行粗糙化，得到一粗糙表面；
在所述欧姆接触层的粗糙表面沉积一层氧化后可透明导电的金属薄膜，其中，沉积该金属薄膜时，所述半导体外延片的温度为室温；以及
在含氧环境中对所述金属薄膜进行退火形成一表面粗糙的金属氧化物透明电极。
2.如权利要求1所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，所述金属薄膜的材料为铟、锌、锡中的一种或多种；所述金属薄膜的厚度为1纳米～1微米。
3.如权利要求1所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，沉积该金属薄膜时，所述半导体外延片的温度为20℃～40℃。
4.如权利要求1所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，所述含氧环境为氧气、空气、或氧气和氮气的混合气；所述退火温度为100℃～1000℃；退火时间为1秒～10000秒。
5.如权利要求1所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，进一步包括在该欧姆接触层的表面沉积一透明导电层的步骤，且所述金属薄膜沉积在该透明导电层的表面。
6.如权利要求1所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，所述粗糙化的方法为等离子刻蚀、酸腐蚀或光刻刻蚀。
7.如权利要求1所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，进一步包括在该欧姆接触层的表面制备一图案化的光刻胶层的步骤，且所述金属薄膜沉积在该图案化的光刻胶层的表面。
8.如权利要求7所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，去除图案化的光刻胶层得到一图案化的金属层，之后在含氧环境中对所述金属薄膜进行退火形成图案化的透明电极。
9.如权利要求1所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，所述半导体外延片包括层叠设置的p型欧姆接触层、发光层以及n型欧姆接触层；在所述P型欧姆接触层和n型欧姆接触层的表面分别制备金属薄膜。
10.如权利要求1所述的发光二极管的电极制备方法，其特征在于，所述欧姆接触层为p型欧姆接触层或n型欧姆接触层。
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