頂部發射氮基發光器件及其製造方法
2023-06-05 22:43:01
專利名稱：頂部發射氮基發光器件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種頂部發射N基發光器件及其製造方法，更具體而言，涉及一種由於含有納米級圖案化的透明導電薄膜而具有提高的光提取率(light extraction rate)的頂部發射N基發光器件及其製造方法，所述納米級圖案化的透明導電薄膜通過溼法蝕刻然後對透明導電薄膜的表面退火來製備而沒有使用掩模。
背景技術：
當利用比如GaN基化合物半導體的N基化合物半導體來形成發光器件時，需要在半導體和電極之間形成高質量的歐姆接觸的工藝。然而，儘管近來已經進行了對於利用N基化合物半導體的發光器件的許多研究，但由於p-GaN具有低載流子濃度、高薄層電阻和低電導率，所以不能容易地得到高質量歐姆接觸。因此，為了提供到發光器件中的良好電流傳播，本質上更加需要利用金屬電極的p-GaN的高質量歐姆接觸。特別是，由於在頂部發射發光器件中產生的光通過歐姆電極發出，所以需要具有低接觸電阻率(specific contact resistance)和高光透射率的高質量歐姆接觸。
通常使用其中鎳和金疊置在p型覆層(clad layer)上的結構來作為頂部發射發光器件中的歐姆接觸結構。已知在氧或空氣氣氛中退火的Ni/Au歐姆接觸結構形成具有約10-3至10-4cm2的低接觸電阻率的半透明歐姆接觸層。然而，由於常規的Ni/Au歐姆接觸層在層的厚度為450nm時具有約75％的低光透射率而導致低的光提取率，所以常規的Ni/Au歐姆接觸層不適於用於大容量和高亮度發光器件中。因此，為了改善這樣的頂部發射發光器件的有限的輸出功率，已經對利用透明導電氧化物比如ITO進行了研究，所述透明導電氧化物比用作常規p歐姆接觸層的半透明Ni/Au結構具有更優異的光透射率。同時，已經通過應用Ni/ITO歐姆接觸層發展了具有改善的約1.3倍的光輸出功率的頂部發射發光器件，所述Ni/ITO歐姆接觸層具有86.6％的高的光透射率，這比在層厚度為450nm時約71.1％的常規Ni/Au歐姆接觸層的光透射率更高。
近來，已經提出了電極表面織構化(texturing)從而使發光器件的光提取率最大化。例如，已經報導了通過利用NiO/ITO結構形成p型GaN歐姆接觸層、利用常規光刻和幹法蝕刻構圖具有微米級孔的ITO電極並將圖案化的ITO電極應用於發光器件，而使發光器件改善了約16％的光輸出功率。此外，在美國專利申請No.2003/0062530A1中公開了通過利用He-Cd雷射、Ar雷射等的電子束曝光和幹涉測量曝光來形成一維條形圖案的方法。
同時，在美國專利申請No.2004/0041164A1中公開了通過利用光致抗蝕劑掩模的幹法蝕刻和反應性離子蝕刻(RIE)在發光器件的表面上應用由光提取元件(LEE)、分散層(disperser layer)等構成的光提取結構，來改善發光器件的外部量子效率的方法。
然而，電極表面織構化和構圖需要包括掩模和幹法蝕刻的附加工藝，由此使這些方法對於製造發光器件並非是有效的。特別是，在製造N基發光器件時的幹法蝕刻可能損壞電極表面。此外，由於通過這些方法製造的發光器件具有微米尺寸的孔圖案，所以不能使發出波長在400至500nm範圍內的光的發光器件的光提取率最大化。
發明內容
本發明提供了一種包括電極結構的N基發光器件及其製造方法，所述電極結構通過利用溼法蝕刻和退火而不使用掩模來納米級構圖由透明導電薄膜構成的p型歐姆電極以在界面處誘發發光器件中產生的光的漫反射(diffused reflection)，而具有增大的光提取率。
根據本發明的一個方面，提供了一種N基發光器件的製造方法，所述方法包括(a)在發光結構的p型覆層上形成透明導電薄膜，在所述發光結構中n型覆層、有源層和p型覆層順序疊置在襯底上；(b)溼法蝕刻所述透明導電薄膜；以及(c)退火經溼法蝕刻的透明導電薄膜。
所述透明導電薄膜可以由透明導電氧化物形成，所述透明導電氧化物是從In、Sn、Zn、Ga、Ce、Cd、Mg、Be、Ag、Mo、V、Cu、Ir、Rh、Ru、W、Co、Ni、Mn、Al和La所構成的組中選取的至少一種的氧化物。
為了改善所述透明導電薄膜的導電特性，可以將摻雜劑添加到所述透明導電氧化物，並且所述摻雜劑可以包括周期表所列的金屬中的至少一種。
所述透明導電薄膜可以利用電子束蒸鍍器、濺鍍、等離子體雷射沉積(PLD)、雙重型熱蒸鍍器、物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)中的一種來形成。所述透明導電薄膜可以形成至10至1000nm範圍內的厚度。
所述N基發光器件的製造方法還可以包括在形成所述透明導電薄膜之前，在所述p型覆層上形成厚度為0.1至50nm的金屬薄膜。所述金屬薄膜可以由從Ni、Co、Cu、Pd、Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Cr、Rh、In、Sn、Mg、Zn、Be、Sr和Ba所構成的組中選取的一種金屬、或者由兩種或更多種所述金屬構成的合金或固溶體來形成。
可以利用從緩衝氧化物蝕刻劑(BOE)、氫氟酸(HF)、鹽酸(HCl)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)、氫氧化鉀(KOH)、草酸、酒石酸、蟻酸、醋酸和乙醇酸所構成的組中選取的未稀釋溶液、所述未稀釋溶液的混合物、或者在去離子水中稀釋的所述未稀釋溶液的混合物或所述未稀釋溶液的稀釋溶液，來進行所述透明導電薄膜的溼法蝕刻。可以在室溫至300℃的溫度下溼法蝕刻所述透明導電薄膜0.1秒至1小時。
可以在含有氮氣(N2)、氬氣(Ar)、氦氣(He)、氧氣(O2)、氫氣(H2)和空氣中至少一種的環境氣體中或真空中，在室溫至900℃範圍內的溫度下對經溼法蝕刻的透明導電薄膜退火10秒至3小時。
通過參照附圖對其示例性實施例的詳細描述，本發明的以上和其他特徵及優點將變得更加明顯，其中圖1是根據本發明第一實施例的頂部發射發光器件的示意性剖面圖；圖2是根據本發明第二實施例的頂部發射發光器件的示意性剖面圖；圖3是曲線圖，示出了根據本發明一實施例利用溼法蝕刻然後退火的一種構圖方法製造的ITO電極以及根據常規比較實例利用退火然後溼法蝕刻的另一構圖方法製造的ITO電極的薄層電阻；圖4A和4B是根據一實施例和常規比較實例利用構圖方法製造的ITO電極表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像；
圖5A和5B是曲線圖，示出了根據本發明一實施例的包括利用溼法蝕刻然後退火而構圖的p型電極的近紫外線發光器件的電特性；圖6是根據本發明一實施例的包括通過溼法蝕刻然後退火而構圖的p型電極的近紫外線發光器件的光輸出功率-電流(L-I)曲線圖；圖7A至7C是根據本發明一實施例的通過溼法蝕刻然後退火而構圖的近紫外線發光器件的p型電極表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像；圖8A至8C是根據本發明一實施例的通過溼法蝕刻然後退火而構圖的近紫外線發光器件的p型電極表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像；以及圖9A至9C是根據本發明一實施例的近紫外線發光器件的溼法蝕刻p型電極的表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。
具體實施例方式
以下，將參照附圖更充分地描述本發明，附圖中示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以以多種不同形式實施，而不應解釋為僅限於在此描述的實施例；而且，提供這些實施例是為了使本公開透徹而完全，並將本發明的理念充分告知本領域技術人員。
圖1是根據本發明第一實施例的頂部發射發光器件的示意性剖面圖。
參照圖1，根據本發明第一實施例的N基發光器件包括順序疊置的襯底10、緩衝層20、n型覆層(clad layer)30、有源層40、p型覆層50以及表面圖案化的透明導電薄膜60。該N基發光器件還包括n電極焊盤90和p電極焊盤80。
N基發光器件主要分為包括襯底10、緩衝層20、n型覆層30、有源層40和p型覆層50的發光結構以及包括形成在p型覆層50上的透明導電薄膜60的p歐姆電極結構。
襯底10可以由藍寶石(Al2O3)、碳化矽(SiC)、Si和砷化鎵(GaAs)之一形成。
可以不形成緩衝層20。
從緩衝層20上至p型覆層50的每一層包括從III族N基化合物中選取的化合物作為其主要成分，所述III族N基化合物以化學式AlxInyGazN(0≤x＜1，0≤y＜1，0＜z≤1，和0＜x+y+z≤1)為代表，並且n型覆層30和p型覆層50除了所述化合物之外含有適當的摻雜劑。
有源層40可以具有各種已知的結構，比如單層或多量子阱(MQW)層。
例如，當每一層主要由GaN基化合物形成時，緩衝層20由GaN形成，n型覆層30除了GaN之外還含有比如Si、Ge、Se或Te的n型摻雜劑，有源層40具有InGaN/GaN MQW或AlGaN/GaN MQW結構，p型覆層50除了GaN之外還含有比如Mg、Zn、Ca、Sr或Be的p型摻雜劑。
在n型覆層30與n電極焊盤90之間可以插入n歐姆接觸層(未示出)，並且n歐姆接觸層可具有各種已知的結構，比如由Ti/Al雙層構成的結構。
p電極焊盤80可以由Ni/Au、W/Au、Pt/Au、Pd/Au或Ag/Au雙層構成。
可以利用已知方法中的一種來形成每一層，比如電子束蒸鍍器、物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、等離子體雷射沉積(PLD)、雙重型熱蒸鍍器和濺鍍。
可以通過沉積透明導電薄膜、溼法蝕刻該透明導電薄膜然後退火經溼法蝕刻的透明導電薄膜來形成表面圖案化的透明導電薄膜60。該表面圖案化的透明導電薄膜60可具有10至1000nm的厚度。
透明導電薄膜可以由透明導電氧化物形成，所述透明導電氧化物是從In、Sn、Zn、Ga、Ce、Cd、Mg、Be、Ag、Mo、V、Cu、Ir、Rh、Ru、W、Co、Ni、Mn、Al和La所構成的組中選取的至少一種的氧化物。
然後，可以利用從緩衝氧化物蝕刻劑(BOE)、氫氟酸(HF)、鹽酸(HCl)、硝酸(HNO3)、磷酸(H3PO4)、硫酸(H2SO4)、氫氧化鉀(KOH)、草酸、酒石酸、蟻酸、醋酸和乙醇酸構成的組中中選取的未稀釋溶液、未稀釋溶液的混合物、或者在去離子水中稀釋的未稀釋溶液的混合物或未稀釋溶液的稀釋溶液，來溼法蝕刻沉積的透明導電薄膜。可以在室溫至300℃的溫度下溼法蝕刻透明導電薄膜0.1秒至1小時。
可以在室溫至900℃的溫度下對經溼法蝕刻的透明導電薄膜退火10秒至3小時，以形成表面圖案化的透明導電薄膜60。可以在含有氮(N2)、氬(Ar)、氦(He)、氧(O2)、氫(H2)和空氣中至少一種的氣體氣氛或者真空中進行退火。
圖2是根據本發明第二實施例的頂部發射發光器件的示意性剖面圖。
為了改善表面圖案化的透明導電薄膜60和p型覆層50之間的歐姆接觸，根據第二實施例的頂部發射發光器件包括透明導電薄膜60和p型覆層50之間的金屬薄膜70。金屬薄膜70可以具有0.1至50nm的厚度。
金屬薄膜具有高導電性和高功函數。金屬薄膜可以由能夠形成Ga基化合物的導電材料形成，比如從Ni、Co、Cu、Pd、Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Cr、Rh、In、Sn、Mg、Zn、Be、Sr和Ba所構成的組中選取的一種、或者由兩種或更多種所述金屬構成的合金或固溶體。
有機金屬薄膜70具有高導電性，所以當金屬薄膜70與表面圖案化的透明導電薄膜60接觸時，通過引起改善的電流傳播而可以減小p歐姆電極結構的接觸電阻率。
圖3是曲線圖，示出了根據本發明一實施例利用溼法蝕刻和退火的一種構圖方法製造的ITO電極以及根據常規比較實例利用退火和溼法蝕刻的另一構圖方法製造的ITO電極的薄層電阻。
更具體而言，根據本實施例，利用電子束蒸鍍器在藍寶石襯底上沉積ITO電極至500nm的厚度，利用其中BOE與去離子水的比率為1∶10的稀釋BOE溶液蝕刻ITO電極，並在600℃下對經蝕刻的ITO退火3分鐘，從而構圖ITO電極的表面。然後，為了比較，根據常規的比較實例，利用電子束蒸鍍器在藍寶石襯底上沉積ITO電極至500nm的厚度，在600℃下對ITO電極退火3分鐘，然後利用其中BOE與去離子水的比率為1∶10的稀釋BOE溶液蝕刻經退火的ITO電極。
當根據本實施例蝕刻ITO電極的表面然後退火時，ITO電極的薄層電阻隨著蝕刻時間連續增大。另一方面，當退火ITO電極的表面然後蝕刻時，ITO電極的薄層電阻保持恆定而與蝕刻時間無關。
圖4A和4B是根據圖3所示實施例利用構圖方法製造的ITO電極表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。如圖4A中所示出的，利用稀釋的BOE溶液蝕刻並在600℃下退火的ITO電極的表面被粗糙地圖案化。另一方面，如圖4B所示，在600℃下退火併利用稀釋的BOE溶液蝕刻的ITO電極的表面沒有被粗糙地圖案化。作為利用AFM測量均方根粗糙度以分析粗糙度的結果，在根據本實施例的被蝕刻然後退火的ITO電極表面的81.6nm的均方根粗糙度與根據常規比較實例的被退火然後蝕刻的ITO電極表面的4.4nm的均方根粗糙度之間存在很大差異。因此，與退火-蝕刻方法相比，溼法蝕刻-退火的表面構圖方法更加有效，因為ITO電極在退火前具有非晶表面而在退火後具有多晶表面，因此ITO電極的表面在退火前和退火後被不同地蝕刻。
圖5A和5B是曲線圖，示出了根據本發明一實施例的包括在p型覆層50上的表面圖案化ITO透明導電薄膜60的近紫外線InGaN/GaN MQW發光器件的電特性。利用Ag沉積金屬薄膜70至3nm的厚度以改善ITO透明導電薄膜60與p型覆層50之間的歐姆接觸，並通過利用稀釋的BOE溶液蝕刻然後在600℃下退火來形成表面圖案化的ITO透明導電薄膜60。圖5A示出了包括表面圖案化的ITO透明導電薄膜的發光器件對於各種蝕刻時間的電流-電壓特性。在20mA處，對於0秒、7秒、10秒和12秒的蝕刻時間，發光器件的工作電壓分別為3.57V、3.61V、3.70V和3.83V。圖5B示出了在-10V處的發光器件的反向電流，並且反向電流被保持而與蝕刻時間無關。因此，包括利用溼法蝕刻和退火的表面圖案化的ITO電極的發光器件能夠通過解決比如反向電流的電特性的劣化而具有改善的電特性，所述電特性的劣化由於等離子體的破壞而發生在包括幹法蝕刻的ITO的常規發光器件中。
圖6是圖5A和5B所示的發光器件的光輸出功率-電流(L-I)曲線。參照圖6，與未被表面圖案化(蝕刻0秒)的發光器件相比，包括表面圖案化的ITO電極的發光器件在20mA處具有極佳的光輸出功率。例如，含有通過溼法蝕刻7秒然後退火而被圖案化的ITO電極的發光器件具有約32％的改善光輸出功率，而含有通過溼法蝕刻12秒然後退火而被圖案化的ITO電極的發光器件具有約19％的改善光輸出功率。
圖7A至7C是分別通過溼法蝕刻0秒、7秒和12秒然後在600℃下退火而被圖案化的ITO電極表面的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。與圖7A所示的未被蝕刻的ITO電極的表面相比，圖7B和7C所示的ITO電極的表面粗糙。特別是，圖7B所示的通過蝕刻7秒然後在600℃下退火而被圖案化的表面具有直徑在250至550nm範圍內的細微顆粒。由於表面圖案化的結構的尺寸與根據本發明的發光器件所產生的光的波長(405nm)類似，所以發光器件中產生的光能夠有效地被提取。因此，如圖6所示，發光器件能夠具有約32％的高的光輸出功率。同時，通過蝕刻12秒然後在600℃下退火而被圖案化的表面具有尺寸在約500至1000nm範圍內的過大的顆粒尺寸，並且如圖7C所示，顆粒聚結。在這種情況下，由於顆粒尺寸略微大於所產生的光405nm的波長，所以在發光器件中產生的光更有可能反射到發光器件中而不是被提取。因此，如圖6所示，發光器件會具有約19％的相對低的光輸出功率。這種低的光輸出功率與具有利用微米級圖案化的電極的發光器件的小於20％的相對低的光輸出功率類似。
圖8A至8C是圖7A至7C所示的發光器件表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。通過蝕刻0秒、7秒和12秒然後在600℃下退火而被圖案化的發光器件的表面分別具有4.1nm、74.3nm和142nm的粗糙度。
圖9A至9C是通過溼法蝕刻0秒、7秒和12秒而被圖案化的發光器件表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。通過溼法蝕刻0秒、7秒和12秒而被圖案化的發光器件的表面分別具有4nm、43.9nm和90.6nm的粗糙度。所述結果表明ITO電極在退火前和退火後具有不同的表面。例如，在對被蝕刻7秒之後具有約43.9nm的粗糙度的表面在600℃下進行退火時，樣品的表面粗糙度增大至約74.3nm，如圖8B所示。也就是說，表面上的相鄰細微顆粒通過退火而聚結，由此能夠增大表面的顆粒尺寸。然而，圖案化表面的相對粗糙度主要由退火前的蝕刻時間決定，即使圖案化表面的粗糙度通過退火而略微增大。因此，蝕刻時間需要被控制，以用於形成根據本發明的含有圖案化表面的透明導電薄膜。
根據本發明的N基發光器件的製造方法，能夠製備透明導電薄膜，該透明導電薄膜通過溼法蝕刻然後退火被納米級圖案化而沒有使用掩模，更具體而言，能夠製備具有最大化的光提取率的頂部發射N基發光器件，其中在該器件中產生的光通過應用納米級圖案化的透明導電薄膜作為p型電極而發出。因此，能夠改善N基發光器件的光學特性。
儘管已經參考其示例性實施例具體表示並描述了本發明，但本領域普通技術人員應理解的是，在不偏離由所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的前提下，可以對本發明進行形式和細節上的各種變化。
權利要求
1.一種N基發光器件的製造方法，所述方法包括(a)在發光結構的p型覆層上形成透明導電薄膜，在所述發光結構中n型覆層、有源層和p型覆層順序疊置在襯底上；(b)溼法蝕刻所述透明導電薄膜；以及(c)退火經溼法蝕刻的透明導電薄膜。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括在操作(a)之前，在所述p型覆層上形成厚度為0.1至50nm的金屬薄膜。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述透明導電薄膜由透明導電氧化物形成，所述透明導電氧化物是從In、Sn、Zn、Ga、Ce、Cd、Mg、Be、Ag、Mo、V、Cu、Ir、Rh、Ru、W、Co、Ni、Mn、Al和La所構成的組中選取的至少一種與O的化合物。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述透明導電薄膜形成至10至700nm範圍內的厚度。
5.根據權利要求1所述的方法，其中利用從緩衝氧化物蝕刻劑BOE、氫氟酸、鹽酸、硝酸、磷酸、硫酸、氫氧化鉀、草酸、酒石酸、蟻酸、醋酸和乙醇酸所構成的組中選取的未稀釋溶液、所述未稀釋溶液的混合物、或者在去離子水中稀釋的所述未稀釋溶液的混合物或所述未稀釋溶液的稀釋溶液，來進行所述透明導電薄膜的溼法蝕刻。
6.根據權利要求1所述的方法，其中在室溫至300℃的溫度下溼法蝕刻所述透明導電薄膜0.1秒至1小時。
7.根據權利要求1所述的方法，其中在室溫至900℃範圍內的溫度下對經溼法蝕刻的透明導電薄膜退火10秒至3小時。
8.根據權利要求7所述的方法，其中在含有氮氣、氬氣、氦氣、氧氣、氫氣和空氣中至少一種的環境氣體中或真空中，進行所述的對經溼法蝕刻的透明導電薄膜的退火。
9.根據權利要求2所述的方法，其中所述金屬薄膜由從Ni、Co、Cu、Pd、Pt、Ru、Ir、Au、Ag、Cr、Rh、In、Sn、Mg、Zn、Be、Sr和Ba所構成的組中選取的一種、或者由兩種或更多種所述金屬構成的合金或固溶體來形成。
全文摘要
本發明提供了頂部發射N基發光器件及其製造方法。所述N基發光器件包括在襯底上順序疊置的n型覆層、有源層、p型覆層和透明導電薄。所述透明導電薄膜具有通過溼法蝕刻然後退火且沒有使用掩模而被納米級圖案化的表面，以改善光提取率。通過應用具有使用溼法蝕刻然後退火而被圖案化的表面的透明導電薄膜而使光提取率最大化，能夠製備高亮度發光器件。
文檔編號H01L33/38GK101093870SQ20071010394
公開日2007年12月26日 申請日期2007年5月15日 優先權日2006年6月22日
發明者成泰連, 李琸熙, 林東皙 申請人:三星電機株式會社, 高麗大學校產學協力團