CN107706277B - 一种透明导电层的制作方法及其发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明导电层的制作方法及其发光二极管，包括：（1）提供一基材；（2）在所述基材上形成第一厚度的透明导电层；（3）对所述第一厚度的透明导电层进行减薄工艺，获得第二厚度的透明导电层。预先沉积较佳欧姆接触所需的第一厚度的透明导电层，经过退火热处理，确保提供足够的载流子浓度，形成良好欧姆接触，之后再执行减薄工艺，获得第二厚度的透明导电层，增加LED芯片光输出，从而解决LED芯片制程透明导电层厚度太薄电压高，太厚又影响光输出的矛盾。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体的是一种透明导电层的制作方法及其发光二极管。
背景技术
发光二极管（LED）经过多年的发展，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，常常需要在P型材料层上加一透明导电层。在众多可作为透明导电层的材料中，诸如：氧化铟锡（ITO）、氧化镉锡（CTO）、氧化铟（InO）和氧化锌（ZnO）等，均可使用于提高电流的扩散效果，其中ITO（Indium Tin Oxide 氧化铟锡）是被最广泛应用的一种，ITO薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜，通常有两个性能指标：电阻率和透光率，由于ITO可同时具有低电阻率及高光穿透率的特性，符合了导电性及透光性良好的要求。与其它透明的半导体导电薄膜相比，ITO具有良好的化学稳定性和热稳定性。在光电子领域有着广泛的应用，是GaN 基蓝光 LED芯片中重要的电极材料。目前，在氮化镓基发光二极管（LED）结构中，以正装蓝光波段LED为例，在一定的ITO厚度条件下，ITO具有高达95%以上的透光率和低至10-4Ω•cm的电阻率，有较高的载流子浓度及低的电阻率。
ITO薄膜的厚度对LED芯片电压及亮度有重要影响，越厚可以获得低电压但是会吸光，越薄可以获得更高亮度但是电压较高。目前常规的工艺制程一般是在电压与亮度电性参数之间做取舍，选择一个合适的ITO厚度沉积参数，结果使得LED芯片亮度提升成为瓶颈。但是随着市场对LED芯片亮度的要求越来越高，ITO薄膜层作为LED芯片中的重要结构层，技术人员不断尝试优化ITO结构提升亮度的方法。
发明内容
为解决上述存在的不足，本发明旨在提供一种透明导电层的制作方法及其发光二极管，提供一种既能与基材形成良好欧姆接触，降低LED芯片电压，又可以提高LED芯片亮度的技术方案。
根据本发明的第一个方面，一种透明导电层的制作方法，包括：
（1）提供一基材；
（2）在所述基材上形成第一厚度的透明导电层；
（3）对所述第一厚度的透明导电层进行减薄工艺，获得第二厚度的透明导电层。
进一步地，所述第二厚度不超过第一厚度的50%。
进一步地，所述第二厚度不超过第一厚度的25%。
进一步地，所述第一厚度≥1200Å。
进一步地，所述第二厚度介于100Å~600Å。
进一步地，所述第二厚度介于50Å~300Å。
进一步地，所述步骤（1）中的基材包括衬底或者外延叠层或者前述组合之一。
进一步地，所述步骤（2）中的透明导电层的形成工艺为物理气相沉积或化学气相沉积或电镀或化学镀沉积或前述任意组合。
进一步地，所述透明导电层为氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）或前述任意组合。
进一步地，所述步骤（2）之后，对所述透明导电层进行退火热处理，与基材实现欧姆接触。
进一步地，所述步骤（3）之前，对所述透明导电层进行退火热处理，与基材实现欧姆接触。
进一步地，所述步骤（3）中的减薄工艺包括蚀刻工艺或者研磨工艺或者抛光工艺或者激光工艺或者前述任意组合。
进一步地，所述蚀刻工艺包括干法蚀刻或者湿法蚀刻或者前述组合。
进一步地，所述研磨工艺包括物理研磨或者化学研磨或者前述组合。
与现有技术相比，本发明的创新点主要在于：预先沉积最佳欧姆接触所需的第一厚度的透明导电层，经过退火热处理，确保提供足够的载流子浓度，形成良好欧姆接触，之后再执行减薄工艺，获得第二厚度的透明导电层，增加LED芯片光输出，从而解决LED芯片制程透明导电层ITO厚度太薄电压高，太厚又影响光输出的矛盾。
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为本发明的具有透明导电层的制作工艺流程示意图。
图2~5为本发明的具有透明导电层的制作工艺步骤图。
图6为本发明实施例的具有透明导电层的发光二极管芯片的制作工艺流程示意图。
图7~13为本发明实施例的具有透明导电层的发光二极管芯片的制作工艺步骤图。
图中各标号表示：100：基材；100：第一厚度的透明导电层；102：第二厚度的透明导电层；200：衬底；201：N型半导体层（n-GaN）；202：发光层（MQW）；203：P型半导体层（p-GaN）；204：第一厚度的透明导电层（ITO）；205：第二厚度的透明导电层（ITO）；206：N电极（n-Pad）；207：P电极（p-Pad）。
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。
以下列举所述透明导电层的制作方法及其LED结构的实施例，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。
如图1所示，其为本发明的具有透明导电层的制作工艺流程示意图。
结合附图2~5所示，首先进行步骤S11，提供一衬底，在其上生长发光外延叠层，衬底与发光外延叠层构成基材100，基材可以单独选用衬底或者外延叠层或者其他功能材料层。衬底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；发光外延层沉积在衬底上，外延层的材料可以包括氮化镓基材料、磷化镓基材料、镓氮磷基材料或氧化锌基材料。
再进行步骤S12，在发光外延叠层上形成第一厚度的透明导电层101。透明导电层可以选用氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）或前述任意组合，本实施例优选氧化铟锡（ITO）。
接着进行步骤S13，对第一厚度的透明导电层101进行退火热处理，与外延叠层实现欧姆接触。需要说明的是，可以是步骤S12完成后，在步骤S13中对透明导电层进行热退火处理，也可以是步骤S12过程中，同时进行热退火处理，如此可以省去步骤S13。
最后执行步骤S14，对所述第一厚度的透明导电层进行减薄工艺，获得第二厚度的透明导电层102。优选所述第二厚度不超过第一厚度的50%，或者第二厚度不超过第一厚度的25%。减薄工艺可以选择包括蚀刻工艺或者研磨工艺或者抛光工艺或者激光工艺或者前述任意组合。蚀刻工艺可以包括干法蚀刻或者湿法蚀刻或者前述组合，研磨工艺可以包括物理研磨或者化学研磨或者前述组合。
具体实施例
以下请参考图13，其为本发明实施例的正装LED的结构截面图，从下至上依次包括：衬底200，裸露出部分表面的N型半导体层201，发光层202，P型半导体层203以及第二厚度的透明导电层205，位于裸露出部分表面的N型半导体层201之上的N电极206，位于第二厚度的透明导电层205之上的P电极207。
具体来说，衬底200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；发光外延层沉积在衬底上，外延层的材料可以包括氮化镓基材料、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，优选蓝宝石作为衬底200。在本实施例中，发光外延层为氮化镓基材料，外延层包括自下至上依次层叠设置的N型半导体层201、发光层202和P型半导体层203，其中，N型半导体层为n-GaN层，发光层为氮化铝镓（AlGaN）多量子阱（MQW）有源层，P型半导体层为p-GaN层。本实施例中的外延层结构并不限于N型GaN层结构-AlGaN多量子阱有源层-P型GaN层，也可以是其它可以激发出光的外延层结构。
第二厚度的透明导电层205，位于外延叠层之上，厚度介于100Å~600 Å，优选介于50Å~300 Å。透明导电层可以选用氧化铟锡（ITO）或氧化锌（ZnO）或氧化镉锡（CTO）或氧化铟（InO）或铟（In）掺杂氧化锌（ZnO）或铝（Al）掺杂氧化锌（ZnO）或镓（Ga）掺杂氧化锌（ZnO）或前述任意组合，本实施例优选氧化铟锡（ITO）。
N电极（n-Pad）206和P电极（p-Pad）207，其材料可以选用Cr、Pt、Al和Au等金属。
以下说明本实施例具有透明导电层的发光二极管芯片的制备方法。如图6所示，其为本发明实施例的具有透明导电层的发光二极管制作方法的流程示意图。
首先进行步骤S21，提供一衬底，作为外延生长基板。如图7所示，衬底200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；发光外延层沉积在衬底上，外延层的材料可以包括氮化镓基材料、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，优选蓝宝石作为衬底200。
再进行步骤S22，形成发光外延层于衬底上。如图8所示，采用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）在衬底的表面上生长外延叠层，外延叠层包括自下至上依次层叠设置的N型半导体层201、发光层202和P型半导体层203。
进行步骤S23，从发光外延层之p-GaN层蚀刻露出部分裸露n-GaN层。如图9所示，采用光罩、蚀刻工艺，从p-GaN层上表面向下蚀刻出露出部分n-GaN层。
进行步骤S24，沉积ITO透明导电层，ITO厚度为较佳欧姆接触所需厚度。如图10所示，沉积工艺可以是物理气相沉积（例如蒸镀或溅镀）或化学气相沉积或电镀或化学镀沉积，本实施例优选蒸镀工艺制作第一厚度的透明导电层（ITO）204，作为电流扩展层。以芯片尺寸大小为35×35mil的正装LED芯片为例，当ITO沉积的第一厚度为300Å或600Å时，电压明显高于ITO≥1200Å的电压，因此优选ITO沉积的第一厚度优选≥1200Å，确保提供足够的In、Sn、O载流子与GaN材料Ga空位结合，以实现较佳欧姆接触条件，ITO沉积较佳厚度与欧姆接触的实验数据，如下表1所示。
接着进行步骤S25，对ITO进行高温退火形成欧姆接触。如图11所示，沉积完第一厚度的ITO，进行退火热处理，与外延叠层之p-GaN层实现欧姆接触。退火热工艺条件可以是固定温度500~650℃并持温3~5分钟，持温过程保持15~30sccm的氧气通入量。退火热处理时，在 p-GaN层与ITO的接触面上，Ga原子从GaN中扩散到ITO中从而产生Ga空位，In原子从ITO中扩散到GaN中Ga空位的位置，Sn、O 同样也会扩散到GaN中，这样在p-GaN与ITO的接触面上就形成一个混合的界面层（由InxGa1-xN、InxGayOz等构成，0<x<1，0<y<1，0<z<1）。这个界面层和产生的Ga空位能使势垒高度降低并减小接触电阻，而且在界面层的 ITO原子浓度变化也会改变接近界面层的ITO的功函数。
然后进行步骤S26，减薄ITO厚度至较佳光输出所需厚度。如图12所示，对第一厚度的透明导电层进行减薄工艺，获得第二厚度的透明导电层205。减薄工艺可以选择蚀刻工艺或者研磨工艺或者抛光工艺或者激光工艺或者前述任意组合，本实施例优选研磨工艺，此步骤研磨工艺可以与常规通过物理研磨减薄芯片方式相同，为了控制较好的厚度精度要求，研磨过程中更佳地软抛时间较长。以芯片尺寸大小为35×35mil的正装LED芯片为例，将沉积第一厚度为1200Å的 ITO厚度，通过研磨工艺，分别减薄至100Å、200Å、300Å。ITO减薄至光输出较佳厚度的实验数据，如下表2所示，通过数据对比，可知第二厚度减至200Å可以提升亮度3.43%，而电压保持与未减薄ITO无明显差异。
最后进行步骤S27，分别在n-GaN层和ITO层上制作N电极和P电极。如图13所示，分别在n-GaN层201和ITO层205上制作N电极（n-Pad）206和P电极（p-Pad）207，其材料可以选用Cr、Pt、Al和Au等金属。
综上，本实施例通过预先按较佳欧姆接触所要求的ITO膜层厚度进行沉积，确保提供足够的In、Sn、O载流子与GaN材料Ga空位结合，经过退火处理，形成良好欧姆接触，之后再研磨减薄ITO厚度，降低ITO薄膜光吸收，增加光输出，提升芯片亮度。
需要说明的是，上述实施例虽然示出了步骤S24完成后进行热退火处理，也可以是步骤S24过程中，同时进行热退火处理，如此即可以省去步骤S25。步骤S23和S24的次序可以互换，即可以是先蚀刻出N型半导体层，再沉积透明导电层，也可以是先沉积透明导电层，在蚀刻出N行半导体层。虽然上述实施例示出的透明导电层仅位于p-GaN层上，应当知道，透明导电层也可以位于裸露的n-GaN层上，或者是透明导电层位于p-GaN层以及裸露的n-GaN层上。上述实施例虽然示意出的是正装结构LED，应当知道，透明导电层同样适用于倒装结构LED或者垂直结构LED或者薄膜结构LED等，尤其指出在倒装、垂直、薄膜这三种LED结构中，由于发光外延叠层发出的光线需要先经过透明导电层，再藉由反射层（反射层可以是金属银、铝，也可以是布拉格氧化物反射层）反射出，透明导电层的厚度对光强的吸收影响更大，所以在倒装或垂直或薄膜LED结构中，第二厚度的透明导电层优选更薄一些，比如50Å ~300Å。
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 (9)
1.一种透明导电层的制作方法，包括：
（1）提供一基材；
（2）在所述基材上形成第一厚度的透明导电层；
（3）对所述第一厚度的透明导电层进行减薄工艺，获得第二厚度的透明导电层；
其特征在于：所述步骤（3）之前，对所述第一厚度的透明导电层进行退火热处理，与基材实现欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的一种透明导电层的制作方法，其特征在于：所述第二厚度不超过第一厚度的50%。
3.根据权利要求1所述的一种透明导电层的制作方法，其特征在于：所述第二厚度不超过第一厚度的25%。
4.根据权利要求1所述的一种透明导电层的制作方法，其特征在于：所述第一厚度大于或者等于1200Å。
5.根据权利要求1所述的一种透明导电层的制作方法，其特征在于：所述第二厚度介于100Å~600 Å。
6.根据权利要求1所述的一种透明导电层的制作方法，其特征在于：所述第二厚度介于100 Å~300 Å。
7.根据权利要求1所述的一种透明导电层的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中的基材包括衬底或者外延叠层或者它们的组合。
8.根据权利要求1所述的一种透明导电层的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中的减薄工艺包括蚀刻工艺或者研磨工艺或者抛光工艺或者激光工艺或者前述工艺的任意组合。
9.一种发光二极管，其特征在于，包括权利要求1~8中任一项所述的制作方法得到的透明导电层。
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