具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體及其製備方法
2023-04-30 13:14:41
專利名稱：具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體及其製備方法
具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體及其製備方法技術領域
本發明屬於發光二極體(LED,Light Emitting Diode)晶片技術領域,涉及一種具有ZnO基透明導電層的紫外LED晶片及其製備方法。
背景技術：
LED作為新型高效的固態光源，具有節能、環保、壽命長、體積小、低電壓等顯著優點，在世界範圍內獲得了廣泛的應用。其中，波長在21(T360nm的紫外LED以其較高的調製頻率、低噪聲、環保和高效的殺菌潛力等優點，在空氣淨化、生物醫療、信息安全等領域有著廣泛的應用潛力。
紫外LED晶片要求電流擴散層具有較高的紫外光透過率(T>80%)和較低的電阻率 (P <10-4 Ω ^cm)。現在已經普遍使用並且商業化的電流擴散層是氧化銦錫(ΙΤ0)。而為了滿足電流擴散層低電阻率的要求，ITO的厚度一般大於200nm。由於厚度較大，因此製備過程中需要使用大量的ITO材料。ITO在可見光區域具有極高的透光率，一般可以達到90%以上，但是由於ITO的禁帶寬度為3. 5^4eV,能夠吸收紫外光，因此ITO在紫外區域的透光率較低，大大降低了紫外LED的出光效率。ITO還有其它的缺點，比如ITO的原材料價格昂貴，銦錫礦產資源相對短缺、不耐腐蝕等。而且從環保角度考慮，銦作為一種有毒材料，大量使用會對環境造成汙染。隨著銦、錫原材料價格的不斷上漲，人們開始轉向尋找能夠替代ITO的透明導電薄膜材料。其中，基於ZnO的透明導電薄膜由於資源豐富、價格低廉、且不會汙染環境等優點而引起關注。
隨著工藝技術的不斷改進，LED的內量子效率已經有了很大的改善，最高可以達到 85%左右，可以提升的空間已經較小，而LED的光提取效率卻依然很低。就紫外LED而言，實驗結果表明當發光波長小於300nm時，光提取效率只有百分之幾，因此提升的空間很大。 LED光提取效率很低的主要原因是光在半導體材料與空氣界面處發生的全內反射現象。全內反射對LED晶片的性能至少有兩方面的不利影響一方面降低了 LED晶片的光提取效率，另一方面由於全反射的光被LED晶片吸收導致晶片發熱,對晶片的壽命也會產生嚴重的影響。因此，提高紫外LED晶片的光提取效率是提高紫外LED總發光效率的關鍵。目前提高LED光提取效率的方法主要有圖形化襯底技術、金屬膜背鍍反射技術、表面微結構技術、倒裝晶片技術等。發明內容
技術問題本發明的目的是針對現有紫外LED結構及製備技術的不足，提供一種電流擴散更加均勻，對紫外光近乎透明，因而具有較高光提取效率的具有ZnO基透明導電層的紫外發光二極體。本發明還提供了一種上述紫外發光二極體的製備方法，可極大地降低生產成本。
技術方案本發明的具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體晶片，包括從下至上依次連接的藍寶石襯底、氮化鋁緩衝層、η型鋁鎵氮層、鋁鎵氮多量子阱有源層、P型鋁鎵氮電子阻擋層、P型氮化鎵層、氧化鋅基透明導電層，在氧化鋅基透明導電層上的P型金屬電極，η型鋁鎵氮層上表面的一部分區域與鋁鎵氮多量子阱有源層的下表面連接，未與鋁鎵氮多量子阱有源層連接的區域設置有一個η型金屬電極。
本發明中，氧化鋅基透明導電層可以是採用脈衝雷射沉積法製備的。
本發明中，氧化鋅基透明導電層可以由Zn0、Mg0、Al203按照Al2O3的摩爾百分比含量為29T8%，MgO的摩爾百分比含量為1°/Γ30%，餘量為ZnO的配比混合而成。
本發明中，氧化鋅基透明導電層的表面進行了粗化處理。
本發明中，氮化鋁緩衝層、η型鋁鎵氮層、鋁鎵氮多量子阱層、P型鋁鎵氮電子阻擋層和P型氮化鎵層均採用金屬有機物化學氣相沉積法生長完成。
本發明同時提供了上述具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體晶片的製備方法，包括如下工藝步驟
I)首先進行材料生長利用金屬有機物化學氣相沉積生長工藝，在藍寶石襯底上， 依次生長氮化鋁緩衝層、Si摻雜的η型鋁鎵氮層、鋁鎵氮多量子阱有源層、Mg摻雜的P型鋁鎵氮電子阻擋層、Mg摻雜的P型氮化鎵層，然後採用脈衝雷射沉積法在P型氮化鎵層上面生長氧化鋅基透明導電層；
2)然後在步驟I)得到產物的基礎上進行器件製作，具體步驟為
a)採用電感耦合等離子體刻蝕工藝，在部分區域從氧化鋅基透明導電層刻蝕到η 型鋁鎵氮層，形成η型鋁鎵氮臺面；
b)採用電感耦合等離子體刻蝕工藝對氧化鋅基透明導電層進行刻蝕，形成粗化的氧化鋅基電流擴散層；
c)在η型鋁鎵氮檯面上光刻出η型電極的圖形，採用電子束蒸鍍工藝，在η型電極的圖形區域蒸鍍η型金屬電極，形成良好的歐姆接觸；
d)在粗化的氧化鋅基電流擴散層上光刻出P型電極的圖形，採用電子束蒸鍍工藝，在P型電極的圖形區域蒸鍍P型金 屬電極，形成良好的歐姆接觸，完成器件製作。
上述步驟I)中，氧化鋅基透明導電層的生長厚度可以為10(T200nm。
有益效果本發明與現有技術相比，具有以下優點
I.為滿足電流擴散層低電阻率的要求，現有普遍使用並且商業化的ITO (氧化銦錫)電流擴散層的厚度一般必須大於200nm。由於厚度較大，因此製備過程中需要大量使用昂貴的ITO材料。而氧化鋅(ZnO)的透明導電薄膜由於資源豐富、價格低廉，因此製造成本較低。
2. ITO在可見光區域具有極高的透光率，一般可以達到90%以上，但是由於ITO的禁帶寬度為3. 5 4eV，能夠吸收紫外光，因此ITO在紫外區域的透光率較低，大大降低了紫外LED的出光效率。本發明由於採用了 ZnO基透明導電層作為電流擴散層，在具有低電阻率的同時具有較高的紫外光透光率。
3.從環保角度考慮，銦作為一種有毒材料，大量使用會對環境造成汙染，而氧化鋅是一種無毒的材料，不會汙染環境。
4.本發明提供的粗化的電流擴散層不僅使得電流擴散更加均勻，而且可有效減少紫外光在紫外LED內部的全內反射機率，可極大地提高紫外LED晶片的光提取效率。
圖I是現有技術製備的具有ITO電流擴散層的紫外LED晶片結構示意圖2是本發明的具有透明導電層的紫外發光二極體晶片結構示意其中數字的含義為藍寶石襯底1，氮化鋁緩衝層2，n型鋁鎵氮層3，鋁鎵氮多量子阱層4，P型鋁鎵氮電子阻擋層5，P型氮化鎵層6，ITO電流擴散層7，P型金屬電極8，η型金屬電極9，氧化鋅基透明導電層10。
具體實施方式
下面結合說明書附圖和實施例對本發明作進一步說明。
本發明的具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體晶片，包括從下至上依次連接的藍寶石襯底I、氮化鋁緩衝層2、η型鋁鎵氮層3、鋁鎵氮多量子阱有源層4、P型鋁鎵氮電子阻擋層5、P型氮化鎵層6、氧化鋅基透明導電層10，在氧化鋅基透明導電層10上的P 型金屬電極8，η型鋁鎵氮層3上表面的一部分區域與鋁鎵氮多量子阱有源層4的下表面連接，未與鋁鎵氮多量子阱有源層4連接的區域設置有一個η型金屬電極9。
本發明的一個實施例中，氧化鋅基透明導電層10是採用脈衝雷射沉積法製備的。
一個實施例中，氧化鋅基透明導電層10由ZnO、MgO、Al2O3按照Al2O3的摩爾百分比含量為29T8%，MgO的摩爾百分比含量為1°/Γ30%，餘量為ZnO的配比混合而成。
另一實施例中，氧化鋅基透明導電層10的表面進行了粗化處理。
另一實施例中，氮化鋁緩衝層2、η型鋁鎵氮層3、鋁鎵氮多量子阱層4、ρ型鋁鎵氮電子阻擋層5和P型氮化鎵層6均採用金屬有機物化學氣相沉積法生長完成。
本發明製備上述具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體晶片的方法，包括如下工藝步驟
I)首先進行材料生長採用M0CVD，即金屬有機物化學氣相沉積法製備紫外LED外延片選擇藍寶石作為襯底(I)、在其上依次製備氮化鋁緩衝層(2)、η型鋁鎵氮層(3)、鋁鎵氮多量子阱層(4)、ρ型鋁鎵氮電子阻擋層(5)、ρ型氮化鎵層出)。然後採用脈衝雷射沉積法在紫外LED外延片的P型氮化鎵層上沉積氧化鋅基透明導電層10作為電流擴散層。脈衝雷射沉積所用的靶材為高純ZnO、MgO、Al2O3粉末經過壓制高溫固相燒結而成的陶瓷靶材。 靶材中Al的摩爾百分比含量為3%，Mg的摩爾百分比含量為15%，其餘全是Zn組分。靶材與紫外LED外延片之間的距離為4cm，生長室真空度壓強為8 X 10_4Pa，生長溫度為400_500°C， 生長室內通入純度為99. 99%的氧氣，沉積時間為40-60min，製得的ZnO基透明導電薄膜成為電流擴散層。將製備好的薄膜在真空和400°C的條件下退火I小時，再冷卻到室溫。製得的ZnO基透明導電薄膜厚度大約為120-180nm。
然後2)在步驟I)得到產物的基礎上進行器件製作，具體步驟為
a)採用電感耦合等離子體電感耦合等離子體刻蝕幹法刻蝕出η型鋁鎵氮臺面；
b)採用電感耦合等離子體方法刻蝕ZnO基透明導電層10進行表面粗化處理，形成表面粗化的ZnO基電流擴散層結構。
還可對紫外LED外延片進行快速熱退火處理，一方面降低ZnO基透明導電層與GaN 之間的接觸電阻，另外一方面可以修復在電感耦合等離子體刻蝕過程中造成的對紫外LED 外延片的損傷。
c)接著在η型鋁鎵氮檯面上光刻出η型電極圖形，並且以電子束蒸鍍工藝，在電極圖形區域蒸鍍η型金屬電極，形成良好的歐姆接觸。最後，在粗化的ZnO基電流擴散層上光刻出P型電極的圖形，並採用電子束蒸鍍工藝，在電極圖形區域蒸鍍P型金屬電極，形成良好的歐姆接觸，從而完成具有ZnO基透明導電層的紫外LED晶片的製作。
上述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細的說明。但應該強調的是，上述實施例僅為本發明的較佳實例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，對本發明的ZnO基透明導電層紫外LED結構所做的任何修改、替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體晶片，其特徵在於，該發光二極體晶片包括從下至上依次連接的藍寶石襯底(I)、氮化鋁緩衝層(2)、η型鋁鎵氮層(3)、鋁鎵氮多量子阱有源層(4)、ρ型鋁鎵氮電子阻擋層(5)、ρ型氮化鎵層(6)、氧化鋅基透明導電層(10),在所述氧化鋅基透明導電層(10)上的P型金屬電極(8)，所述η型鋁鎵氮層(3)上表面的一部分區域與鋁鎵氮多量子阱有源層(4)的下表面連接，未與鋁鎵氮多量子阱有源層 (4 )連接的區域設置有一個η型金屬電極(9 )。
2.根據權利要求I所述的具有透明導電層的紫外發光二極體晶片，其特徵在於，所述氧化鋅基透明導電層(10 )是採用脈衝雷射沉積法製備的。
3.根據權利要求I或2所述的具有透明導電層的紫外發光二極體晶片，其特徵在於，所述氧化鋅基透明導電層(10)由ZnO、MgO、Al2O3按照Al2O3的摩爾百分比含量為2°/Γ8%，MgO 的摩爾百分比含量為1°/Γ30%，餘量為ZnO的配比混合而成。
4.根據權利要求I或2所述的具有透明導電層的紫外發光二極體晶片，其特徵在於，所述氧化鋅基透明導電層(10)的表面進行了粗化處理。
5.根據權利要求I或2所述的具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體，其特徵在於，所述的氮化鋁緩衝層(2)、η型鋁鎵氮層(3)、鋁鎵氮多量子阱層(4)、P型鋁鎵氮電子阻擋層(5)和P型氮化鎵層(6)均採用金屬有機物化學氣相沉積法生長完成。
6.一種製備權利要求I所述的具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體晶片的方法，其特徵在於，該方法具體步驟如下O首先進行材料生長利用金屬有機物化學氣相沉積生長工藝，在藍寶石襯底(I)上， 依次生長氮化鋁緩衝層(2)、Si摻雜的η型鋁鎵氮層(3)、鋁鎵氮多量子阱有源層(4)、Mg摻雜的P型鋁鎵氮電子阻擋層(5)、Mg摻雜的P型氮化鎵層(6)，然後採用脈衝雷射沉積法在 P型氮化鎵層(6)上面生長氧化鋅基透明導電層(10)；2)然後在所述步驟I)得到產物的基礎上進行器件製作，具體步驟為a)採用電感耦合等離子體刻蝕工藝，在部分區域從氧化鋅基透明導電層(10)刻蝕到η 型鋁鎵氮層(3)，形成η型鋁鎵氮臺面；b)採用電感耦合等離子體刻蝕工藝對所述氧化鋅基透明導電層(10)進行刻蝕，形成粗化的氧化鋅基電流擴散層；c)在所述η型鋁鎵氮檯面上光刻出η型電極的圖形，採用電子束蒸鍍工藝，在所述η型電極的圖形區域蒸鍍η型金屬電極(9)，形成良好的歐姆接觸；d)在所述粗化的氧化鋅基電流擴散層上光刻出P型電極的圖形，採用電子束蒸鍍工藝，在所述P型電極的圖形區域蒸鍍P型金屬電極(8)，形成良好的歐姆接觸，完成器件製作。
7.根據權利要求6所述的製備具有氧化鋅基透明導電層的紫外發光二極體晶片的方法，其特徵在於，所述步驟I)中，氧化鋅基透明導電層(10)的生長厚度為10(T200nm。
全文摘要
本發明公開了一種具有透明導電層的紫外發光二極體晶片及其製備方法，晶片包括藍寶石襯底、氮化鋁緩衝層、n型鋁鎵氮層、鋁鎵氮多量子阱有源層、p型鋁鎵氮電子阻擋層、p型氮化鎵層和氧化鋅基透明導電層，以及在氧化鋅基透明導電層上的p型金屬電極，在n型鋁鎵氮上的n型金屬電極。製備方法採用了金屬有機物化學氣相沉積和脈衝雷射沉積法。本發明具有低電阻率，高紫外光透光率的優點，製備原料豐富，價格低廉，不汙染環境。
文檔編號H01L33/00GK102983240SQ20121053302
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者張 雄, 王書昶, 崔一平 申請人:東南大學