CN1622353A - 低接触电阻、低光吸收、全角高反射的led电极 - Google Patents
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Abstract
本发明的低接触电阻、低光吸收、全角高反射的LED电极属于光电子器件制造技术领域。该电极的结构为：第一层是掺杂的半导体层基底(1)；第二层是位于半导体基底上的欧姆接触层(8)；第三层是在欧姆接触层上的一层银高反镜(3)；第四层是在银高反镜上的一层保护层(4)，其特征在于：所述的欧姆接触层(8)上带有贯通的圆形微孔(10)，圆形微孔(10)内镀了透明膜(9)。透明膜的最佳光学厚度为器件发光波长的四分之一，透明膜(9)的折射率小于半导体基底(8)和银高反镜(3)的复折射率，形成了折射率高低高的结构。本发明的LED电极达到了接触电阻低、光吸收少，同时又提高了热可靠性的效果。
Description
技术领域
本发明用于光电子器件制造技术领域，具体涉及到一种发光二极管(LED)电极的结构。
背景技术
目前蓝光(460nm)发光二极管(LED)发光器件上采用的传统高反电极Ni/Au/Ag(参见图1)、透明导电氧化物膜(TCO)外镀银高反镜(参见图2)等平板式电极。Ni/Au/Ag电极由掺杂半导体层1，Ni/Au欧姆接触层2，银高反镜3和保护膜4构成。这种电极具有低的比接触电阻，其比接触电阻率可低至10-6Ω·cm2。但缺点是金属接触层对光的吸收严重，吸光系数K均大于1，并随其厚度和面积的增加而增加。其造成光输出功率损失严重，对于460nm的蓝光吸收达20％-30％，透过率一般为74％。这些吸收掉的光转变为热能，使器件温度上升，缩短器件寿命。TCO外镀银高反镜电极由保护膜4，Ag高反镜3，TCO膜5，掺杂半导体层1构成。这种电极光吸收小(10-4-10-6量级)，但缺点是比接触电阻比金属电极大，驱动电压比较高且散热不好，有热量积累，热可靠性不高，不适合大功率工作的情况。传统全角高反ODRs电极等方式如图3所示，由保护膜4，Ag高反镜3，SiO2介质膜7，欧姆接触层6和掺杂半导体层1构成。例如在GaN表面上镀50的RuO2层，在RuO2层镀一层四分之一光波长厚的SiO2介质膜。在SiO2介质膜刻出微形孔，最后在带有微形孔的SiO2上镀上一层200nm银高反镜。这种电极由于半导体、接触层和高反镜之间形成复数反射率高低高(HLH)结构，这样的结构光波通过干涉叠加，提高了光提取效率，在0°-90°入射角的光平均反射率达到88％。这种电极缺点是在姆接触层和其上镀的一层氧化物膜7面积大，散热不好，热可靠性不高。现存高反电极都不能同时具有低的比接触电阻和低的光吸收特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有电极不能同时具有低接触电阻和低光吸收特性的问题，获得象金属电极那样的低接触电阻又尽量减少光吸收以提高热可靠性，即P-GaN高反电极需要解决的主要问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的低接触电阻、低光吸收、全角高反射的LED电极结构，如附图4、图5所示：第一层是掺杂的半导体层基底1，器件发出的光从该层到达高反电极层，光经反射再从该层返回；第二层是位于半导体基底上的欧姆接触层8；第三层是在欧姆接触层上的一层银高反镜3；第四层是在银高反镜上的一层保护层4，其特征在于：所述的欧姆接触层8上带有贯通的圆形微孔10，圆形微孔10内镀了透明膜9。该透明膜9通过圆形微孔与基底直接接触相连成为一体。欧姆接触层8是金属或金属组合所构成的层，也可以是金属合金经过退火与基底形成的欧姆层，为保证透光性好，总厚度为小于10nm。欧姆接触层8及圆形微孔内的透明膜都与其上覆盖的银高反镜3紧密接触。采用圆形微孔10可以减少接触层金属面积，从而减少对光的吸收。
本发明所述的一种低接触电阻、低光吸收、全角度高反射的LED电极，其特征在于：微孔均匀分布在P型电极欧姆接触层上，为保证电流能够扩展开，以防止形成暗区，微孔不能太大，圆形微孔的半径为3～5μm，两个相邻圆形孔不能相连，中间是隔开的，其微孔中心间距大于或等于20μm，防止电流密度过大；电极的边缘与离边缘最近的微孔中心的距离大于20μm，以利于边缘发光；
所述的一种低接触电阻、低光吸收、全角度高反射的LED电极，其特征在于：透明膜9是折射率小于半导体基底8和银高反镜3的复折射率的氧化物膜(如SiO2膜)或透明导电氧化物膜(TCO)，如铟锡氧化物透明导电膜(ITO)、ZnO透明导电膜。导电透明膜对电流扩展有帮助，发光要比不导电的透明膜更均匀，但导电透明膜的折射率比SiO2膜要高，光提取效率不如SiO2膜。透明膜9的折射率小于半导体基底8和银高反镜3的复折射率，与基底和银高反镜3形成折射率高低高(HLH)的结构。
所述的一种低接触电阻、低光吸收、全角度高反射的LED电极，其特征在于：圆形孔内的透明膜的光学厚度为蓝光LED器件发光波长的四分之一即λ/4，透明膜与基底直接相接触，连成为一体，呈圆柱状。当透明膜的光学厚度为λ/4时为最佳，也可是非λ/4。
银高反镜覆盖在欧姆接触层和圆孔内的透明膜之上，并紧密接触，银高反镜的作用是充当高反镜。银高反镜之上的保护膜一般采用金膜，其作用是保护银高反镜和加厚层。圆孔内的柱状透明膜会对高反镜表面有一定的不平整，需要加厚高反镜和保护层。但不会对整个电极有大的影响，因为这种不平整的高度差对整个电极厚度来说是很小的。
采用本发明的电极，同时满足了低接触电阻和低光吸收。当微孔的总面积是P型电极面积的四分之一时，可以减少吸收四分之一，如Ni/Au欧姆层吸收为20-30％，采用微孔结构则可以减少吸收5-7.5％。本发明的结构对于小角度入射到电极的光，可以提高光的提取效率，增大光的输出功率。另外，大角度的光从半导体基底1射出后会遇到透明膜9，或从半导体基底1射出后进入接触层8，再从接触层8进入透明膜9，这样的光经过的材料的折射率都是从高到低。从8、9出射的光到达银高反镜3表面上时，这些光又从低折射率的材料入射到高折射率的材料。所以对于大角度的光，遇到的材料是从高折射率到低折射率再到高折射率，形成折射率高低高(HLH)的结构，有效地防止大角度的光从电极边缘射出LED，减少了光功率损失。所以本发明的结构对0°-90°入射角的光提取效率增加了。
附图说明
附图1为传统Ni/Au/Ag高反平板电极剖面图
4.保护膜，3.Ag高反镜，2.Ni/Au欧姆接触层，1.掺杂半导体层；
附图2为传统TCO高反电极剖面图
4.保护膜，3.Ag高反镜，5.TCO膜，1.掺杂半导体层；
附图3为传统ODRs高反电极剖面图
4.保护膜，3.Ag高反镜，7.SiO2介质，6.欧姆接触层，1.掺杂半导体层；
附图4为本发明高反电极剖面图
4.保护层，3.Ag高反镜，8.多孔欧姆接触层，9.低折射率透明膜，1.掺杂半导体层；
附图5为本发明高反电极多孔欧姆接触层俯视图
8.多孔欧姆接触层，10.圆形微孔。
具体实施方式
实施方案1：
如图4所示，本电极由保护层Au膜4、Ag高反镜3、多孔欧姆接触层8、低折射率SiO2透明膜9、掺杂半导体1等构成，具体制作步骤如下：
1)用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在sapphire上制备300μm×300μm的LED样品，其P-GaN基底1厚为1.5μm，Mg掺杂为5×1017cm-3。
2)该样品为用普遍化学清洗方法进行清洗：HCl∶H2O为1∶1的溶液对P区GaN表面进行清洗5分钟后，用去离子水冲洗再洗5遍。清洗后用干N2气吹干。
3)用把样品迅速放入到Denton Dicovery550蒸发台反应室中，把反应室抽到10-5Pa以下的背景真空。
4)在70℃下镀以2/s的速率镀2.5nm的Ni和6nm的Au，用卡尔休斯(KarlSuss)光刻机，普通的光刻工艺和腐蚀工艺在Ni/Au层上做出半径为5μm的微孔10。微孔10与P-GaN相通。相邻微孔中心相距20μm。电极边缘保留20μm。得到接触层8。
5)在60℃下以5/s的速率在微孔内镀上一层四分之一光学波长厚的SiO2膜。
6)常规的卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形，用普通腐蚀工艺去微孔外的SiO2膜，得到透明膜9。
7)涂胶保护P电极以外的部分，在70℃下，以8/s的速率在SiO2上和Ni/Au上镀400nm的银高反镜。
8)在70℃下，以10/s的速率在银高反镜上镀上一层500nm的金属金作为保护层。
9)去胶后在普遍高温炉中500℃空气中退火2分钟得到本电极。
10)用传统环形传输线法(CTLM法)测得其接触电阻率为5.3×10-6Ω·cm2；用日立4100分光光度计测得电极在0°-90°平均反射率为93.4％。
实施方案2：
如图4所示，本电极由保护层Au膜4、Ag高反镜3、多孔欧姆接触层8、低折射率铟锡氧化物膜9、掺杂半导体1等构成，具体制作步骤如下：
1)用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法在sapphire上制备300μm×300μm的LED样品，其P-GaN基底厚为1.5μm，Mg掺杂为5×1017cm-3。
2)该样品为用普遍化学清洗方法进行清洗：HCl∶H2O为1∶1的溶液对P区GaN表面进行清洗5分钟后，用去离子水冲洗再洗5遍。清洗后用干N2气吹干。
3)用把样品迅速放入到Denton Dicovery550蒸发台反应室中，把反应室抽到10-5Pa以下的真空。
4)在70℃下镀以3/s的速率镀4nm的Ni。
5)用卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，普通的光刻工艺和腐蚀工艺在Ni层上做出半径为4μm的微孔。微孔与P-GaN相通。相邻微孔中心相距20μm。电极边缘保留25μm。
6)在60℃下以5/s的速率在微孔内镀上一层非四分之一光学波长厚40nm的铟锡氧化物膜(ITO膜)。常规的卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，光刻出掩膜图形，用普通腐蚀工艺去微孔外的ITO膜。
7)在普通高温炉中空气氛围中500℃退火2分钟。
8)涂胶保护P电极以外的部分。
9)在70℃下，以8/s的速率在ITO和Ni层镀上400nm的银高反镜。
10)在75℃下，以10/s的速率在银高反镜上镀上一层500nm的金属金作为保护层。
11)去胶后在普遍高温炉中450℃空气中合金5分钟得到本电极。
12)用传统环形传输线法(CTLM法)测得其接触电阻率为7.8×10-6Ω·cm2；用日立4100分光光度计测得电极在0°-90°平均反射率为90％。
实施方案3：
1)用普通金属有机化学汽相淀积(MOCVD)方法制备300μm×300μm的LED样品，其P-GaN基底厚为1.5μm，Mg掺杂为5×1017cm-3。
2)该样品为用普遍化学清洗方法进行清洗：HCl∶H2O为1∶1的溶液对P区GaN表面进行清洗5分钟后，用去离子水冲洗再洗5遍。清洗后用于N2气吹干。
3)用把样品迅速放入到Denton Dicovery550蒸发台反应室中，把反应室抽到10-5Pa以下的真空。
4)在70℃下镀以3/s的速率镀2nm的Ni和2nm的Pt。
5)用卡尔休斯(Karl Suss)光刻机，普通的光刻工艺和腐蚀工艺在Ni/Pt层上做出半径为3μm的微孔。微孔与P-GaN相通。相邻微孔中心相距22μm。电极边缘保留20μm。
6)在60℃下以5/s的速率在孔内镀上一层四分之一光学波长厚的ZnO氧化物膜。用普遍腐蚀工艺去掉孔外的ZnO。
8)在普通高温炉中空气氛围中400℃退火10分钟。
9)涂胶保护P电极以外的部分。
10)在70℃下，以8/s的速率在ZnO和Ni/Pt层镀上400nm的银高反镜。
11)在75℃下，以10/s的速率在银高反镜上镀上一层500nm的金属金作为保护层。
12)去胶后在普遍高温炉中500℃空气中合金5分钟得到本电极。
13)用传统环形传输线法(CTLM法)测得其接触电阻率为5.7×10-6Ω·cm2；用日立4100分光光度计测得电极在0°-90°平均反射率为91.3％。
Claims (5)
1、一种低接触电阻、低光吸收、全角度高反射的LED电极，第一层是掺杂的半导体层基底(1)；第二层是位于半导体基底上的欧姆接触层(8)；第三层是在欧姆接触层上的一层银高反镜(3)；第四层是在银高反镜上的一层保护层(4)，其特征在于：所述的欧姆接触层(8)上带有贯通的圆形微孔(10)，圆形微孔(10)内镀了透明膜(9)。
2、根据权利要求1所述的一种低接触电阻、低光吸收、全角度高反射的LED电极，其特征在于：欧姆接触层(8)是金属或金属组合所构成的层，总厚度小于10nm，欧姆接触层(8)及圆形微孔内的透明膜(9)都与其上覆盖的银高反镜(3)紧密接触。
3、根据权利要求1所述的一种低接触电阻、低光吸收、全角度高反射的LED电极，其特征在于：圆形微孔(10)均匀分布在P区欧姆接触层上，微孔的半径为3～5μm，两个相邻圆形孔中间是隔开的，其微孔中心间距大于或等于20μm，电极的边缘与离边缘最近的微孔中心的距离大于20μm。
4、根据权利要求1所述的一种低接触电阻、低光吸收、全角度高反射的LED电极，其特征在于：透明膜(9)是氧化物膜或透明导电氧化物膜，透明膜(9)的折射率小于半导体基底(8)和银高反镜(3)的复折射率，与基底和银高反镜(3)形成折射率高低高的结构。
5、根据权利要求1或4所述的一种低接触电阻、低光吸收、全角度高反射的LED电极，其特征在于：圆形孔内的透明膜(9)的光学厚度为器件发光波长的四分之一即λ/4，透明膜(9)与基底直接相接触，连成为一体，呈圆柱状。
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