利用氧化鋅提高led光提取效率的方法

2023-11-04 07:50:12 2

專利名稱：利用氧化鋅提高led光提取效率的方法
技術領域：
本發明屬於提高氮化鎵(GaN)基發光二極體(LED)光提取效率的方法，特別是在 GaN基LED表面上生長氧化鋅薄膜後，利用氧化鋅的位錯腐蝕後形成的位錯坑，作為一種表 面粗化技術，來提高發光二極體光提取效率的方法。
背景技術：
近些年來，氮化鎵基發光二極體的發展迅猛，已成為固態照明的一個重要領域。然 而，LED的效率卻受到諸多因素的限制，例如P-GaN的高電阻率而導致的ρ型電極下的電流 阻塞現象。目前，人們廣泛採用薄層金屬或ITO做透明導電膜，以增強電流擴展。而氧化鋅 (ZnO)同前兩者相比，具有很多優越的特性ΖηΟ的禁帶寬度是3. 37ev，在近紫外和可見光 範圍的透過性達80% ；ZnO的折射率在2. 0左右，小於ITO的折射率，使有源層發出的光更 易出射；在高溫下ZnO更穩定，且比ITO更易刻蝕；鋅蘊藏豐富，價格便宜，且無毒。目前， ZnO被廣泛認為是取代薄層金屬和ITO的理想的透明導電材料。ZnO做透明導電層，既能增 加電流擴展，提高內量子效率，又能通過表面粗化的工藝，減小全反射，增大光提取效率。然 而，目前對ZnO做透明導電層後的表面粗化工藝，研究得還很少。目前對於GaN基LED，通過表面粗化提高LED光提取效率的方法，大多是在P型GaN 上進行的。Seok-In Na, Ga-Young Ha, Dae-Seob Han 和 Seok-Soon Kim 等人在 Photonics Technology Letters, 18,2006, 「Selectivewet etching of ρ-GaN for efficient GaN-based light-emitting diodes，，的文章中公開了用KOH乙烯乙二醇溶液腐蝕LED結構 的P-GaN表面，用於提高GaN基LED的光學和電學性質的方法。其主要步驟是M0CVD方法 生長GaN基LED，其上表面為ρ-GaN，用KOH乙烯乙二醇溶液腐蝕ρ-GaN表面，在表面形成直 徑為0. 5-3. 7 μ m，深度為10-20nm的腐蝕坑，然後電子束蒸發金屬到p-GaN表面，形成ρ電 極。通過這種方法使LED的光功率與未刻蝕的相比，提高了 29. 4%。但是，這種方法的缺點是(l)p-GaN層很薄，只有IOOnm左右，且本身的電阻率就 很大，在P-GaN上直接腐蝕後，更不利於電流的擴展和傳導；(2) p-GaN的折射率較大，約為 2. 4，不利於光的出射。此外，Jinn-KongSheu，Y. S. Lu, Min-Lum Lee 和 W. C. Lai 等人在 Appl. Phys. Lett. , 90,2007, "Enhanced efficiency of GaN-basedlight-emitting diodes with periodic textured Ga-doped ZnO transparent contactlayer，，中提出了在 GaN 基 LED 的p-GaN上，首先電子束蒸發一層ΙΤ0，然後在ITO上用磁控濺射方法生長一層摻雜的ZnO， ITO/ZnO的總厚度為550nm。通過光刻，在ZnO上刻蝕出寬度為5 μ m，深度為370nm的ZnO 條，其功率效率與未刻蝕的相比，提高了 45%。但整個工藝過程複雜，成本高昂。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，該方法可 以大幅度的提高LED的光提取效率，該方法最大的優點是工藝簡單，原料成本低廉，且可重複性好。本發明的目的是這樣實現的本發明提供一種利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，包括以下步驟步驟1 取一 GaN基發光二極體外延片；步驟2 在GaN基發光二極體外延片的出光面上生長一層ZnO單晶薄膜；步驟3 利用溼法化學腐蝕的方法，腐蝕ZnO單晶薄膜的表面，使ZnO單晶薄膜的 表面在位錯處出現腐蝕坑；步驟4 光刻生長有ZnO單晶薄膜的GaN基發光二極體外延片，在GaN基LED外延 片上形成重複的LED基本結構單元，刻蝕LED基本結構單元的一側形成一臺面，製作出LED 的基本晶片結構；步驟5 在LED的基本晶片結構的檯面上製作η電極，在ZnO單晶薄膜的表面上或 出光面上製作P電極，完成器件的製作。其中生長ZnO單晶薄膜，是採用金屬源汽相外延的方法，該方法中 採用的源材料是金屬鋅和去離子水，金屬鋅和去離子水的反應方程式為 Zn(v)+H2O(V)^ZnO(S)+H2(V)。其中生長ZnO單晶薄膜，是採用金屬有機氣相外延、分子束外延或原子層外延的 方法。其中ZnO單晶薄膜的生長厚度為200nm-10 μ m。其中溼法化學腐蝕的腐蝕液為KOH水溶液，腐蝕溫度為40°C -80°C，腐蝕時間為 10min_70mino其中利用KOH水溶液對ZnO單晶薄膜腐蝕，腐蝕後的表面腐蝕坑密度為
1 AS 1 A9 -2
10 -10 cm ο


為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照 附圖，對本發明進一步詳細說明，其中圖1至圖3是本發明設計的器件結構製作流程的剖面示意圖。圖4是用本發明的方法一個實施例的結果示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1至圖3所示，本發明提供一種利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法， 包括以下步驟步驟1 取一 GaN基發光二極體外延片10 (圖1)，其中GaN基LED外延片的基本結 構包括藍寶石襯底、GaN緩衝層、η型GaN、量子阱、電子阻擋層以及ρ型GaN層；步驟2 在GaN基發光二極體外延片10的出光面11上生長一層ZnO單晶薄膜 12 (圖2)；其中在GaN基LED外延片的基本結構上外延生長ZnO的方法，是採用金屬源汽 相外延(MVPE)的方法，該方法中採用的源材料是金屬鋅和去離子水，金屬鋅和去離子水的 反應方程式為Zn(v)+H20(v)oZn0(s)+H2(v)，該反應是一個可逆反應。通過不斷的
排除尾氣並調整源材料和載氣的流量，來控制反應達到動態平衡，使金屬Zn和H2O源源不
4斷的反應，在GaN基LED外延片的基本結構上生長ZnO外延膜12。此方法的優點是生長溫 度低，不會影響GaN基LED材料性能；生長速率快；方法簡單，成本低，有利於形成產業化技 術。該方法可生長厚度在200nm-10 μ m的ZnO薄膜，有利於電流在LED中的橫向擴展。此外，還可以採用金屬有機氣相外延、分子束外延、原子層外延等方法生長ZnO薄 膜12。步驟3 利用溼法化學腐蝕的方法，腐蝕ZnO單晶薄膜12的表面，使ZnO單晶薄 膜12的表面在位錯處出現腐蝕坑，其中溼法化學腐蝕的腐蝕液為KOH水溶液，腐蝕溫度為 400C -80°C，腐蝕時間為10min-70min。腐蝕後在原子力顯微鏡下，可以觀察到ZnO表面有 一系列大小不等的腐蝕坑，腐蝕坑呈六角形(參見圖2)，密度為108-109cm_2。這些大小深度 不等的腐蝕坑，減小了有源層發出的光在LED表面的全反射機率，有利於提高關提取效率。 腐蝕後ZnO表面的腐蝕坑密度與位錯有以下的對應關係a) ZnO表面的腐蝕坑密度與通過XRD計算的ZnO的位錯密度在同一量級，一個腐蝕 坑可能對應與一個位錯。b)ZnO表面的腐蝕坑根據直徑和深度可以劃分為3類，即大、中、小坑，且隨著腐蝕 時間的延長依然存在這3種不同大小和深度的腐蝕坑。c)腐蝕坑中直徑較大的腐蝕坑密度與根據XRD結果計算的ZnO螺位錯的密度在同 一量級，一個大的腐蝕坑可能對應於一個螺位錯。I. Schnitzer, E. Yablonovitch, C. Caneau, T. J. Gmitter 禾口 k. Scherer 在 Appl. Phys. Lett. , 63,1993, "30 % external quantum efficiency fromsurface textured, thin-film light-emitting diodes」 一文中指出，當表面粗化的微元尺寸與光波長可以比 擬時，表面粗化對光提取效率的增加最為顯著。根據這一觀點，計算出表面粗化後，對應於 最優光提取效率的微元密度應該在108-109cm_2。由腐蝕後的原子力顯微照片可以計算出， MVPE方法生長的ZnO，表面腐蝕坑的密度恰好也在這一量級，即108-109cnT2。說明本發明提 供的表面粗化方法，有可能獲得最佳的光提取效率。步驟4 光刻生長有ZnO單晶薄膜12的GaN基發光二極體外延片10，在GaN基LED 外延片10上形成重複的LED基本結構單元10，，刻蝕LED基本結構單元10』的一側形成一 臺面11』 (圖3)，製作出LED的基本晶片結構。其中光刻並製作出LED的基本晶片結構的 步驟是在生長了 ZnO的GaN基LED的外延片上，沉積一層SiO2，利用SiO2做掩膜板，光刻出 圖形，形成重複的LED基本結構單元10』，並刻蝕一側到η型GaN層，形成LED的臺面11』。步驟5 在LED的基本晶片結構上的臺面11，上製作η電極14，在ZnO單晶薄膜 12的表面上或出光面11上製作ρ電極13 (圖3)，完成器件的製作。其中，ρ電極13、η電 極14可以分別做在ZnO層和η型GaN層上，如附圖1(c)所示。這時的ZnO層既可以作為 導電層，增加電流的橫向擴展，也可以通過粗化的表面來提高LED的光提取效率。另外，ρ電 極13、η電極14也可以分別做在ρ型GaN層和η型GaN層上，這時的ZnO只起到增加光提 取效率的作用。其中，步驟3、步驟4可以互換。這樣製作完成後，做出的是如圖1所示的LED傳統結構。此外，可以在步驟3之後， 將LED外延片的襯底剝離掉，然後分別在LED外延片的上、下兩面做上ρ電極和η電極，制 成LED的垂直結構。也可以在步驟1時就選用自支撐襯底的LED外延片，在其出光面上生長ZnO並腐蝕ZnO表面，形成粗糙表面，最後在其上、下兩面分別製作上ρ電極和η電極，完 成器件的製作。本發明與以往的技術相比，具有以下意義金屬源氣相外延生長方法的材料生長溫度低，不會影響GaN基LED的材料性能；生 長速率快；方法簡單，成本低，有利於形成產業化技術。避免了直接粗化LED結構的p-GaN表面，而導致的電阻率增大的問題。同時，由於 ZnO的折射率只有2. 0，小於GaN的折射率，更利於光的出射。利用溼法化學腐蝕的方法，粗化ZnO表面，減小有源層出射光的全反射機率，從而 提高LED的光提取效率。整個工藝過程簡單，易實現，且避免了幹法刻蝕時引入的空穴等表 面缺陷和雜質。溼法化學腐蝕時，所用的KOH水溶液，具有價格低廉的優勢，且易清洗。ZnO表面的腐蝕坑密度，與根據XRD結果計算的ZnO材料本身的位錯密度相當，腐 蝕坑與位錯可能存在一一對應關係。且腐蝕坑中尺寸最大的一類，其密度與根據XRD結果 計算的螺位錯密度相當，一個大的腐蝕坑，可能對應於一個螺位錯。本發明可用於估算位錯
也/又。圖4是用本發明的方法一個實施例的結果示意圖。粗化後的ZnO表面，腐蝕坑密度與理論計算的最優光提取效率時的腐蝕坑密度相 當，有可能使LED獲得最佳的光提取效率。綜上所述，雖然本發明已以一實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明 所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作各種的更動與 潤飾。因此，本發明的保護範圍當視權利要求範圍所界定的為準。
權利要求
一種利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，包括以下步驟步驟1取一GaN基發光二極體外延片；步驟2在GaN基發光二極體外延片的出光面上生長一層ZnO單晶薄膜；步驟3利用溼法化學腐蝕的方法，腐蝕ZnO單晶薄膜的表面，使ZnO單晶薄膜的表面在位錯處出現腐蝕坑；步驟4光刻生長有ZnO單晶薄膜的GaN基發光二極體外延片，在GaN基LED外延片上形成重複的LED基本結構單元，刻蝕LED基本結構單元的一側形成一臺面，製作出LED的基本晶片結構；步驟5在LED的基本晶片結構的檯面上製作n電極，在ZnO單晶薄膜的表面上或出光面上製作p電極，完成器件的製作。
2.根據權利要求1所述的利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，其中生長ZnO單晶 薄膜，是採用金屬源汽相外延的方法，該方法中採用的源材料是金屬鋅和去離子水，金屬鋅 和去離子水的反應方程式為Ζη(ν)+Η20(ν) □ ZnO(s)+H2(V)0
3.根據權利要求1所述的利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，其中生長ZnO單晶 薄膜，是採用金屬有機氣相外延、分子束外延或原子層外延的方法。
4.根據權利要求1所述的利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，其中ZnO單晶薄膜 的生長厚度為200nm-10 μ m。
5.根據權利要求1所述的利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，其中溼法化學腐蝕 的腐蝕液為KOH水溶液，腐蝕溫度為40°C _80°C，腐蝕時間為10min-70min。
6.根據權利要求5所述的利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，其中利用KOH水溶 液對ZnO單晶薄膜腐蝕，腐蝕後的表面腐蝕坑密度為108-109cnT2。
全文摘要
一種利用氧化鋅提高LED光提取效率的方法，包括以下步驟步驟1取一GaN基發光二極體外延片；步驟2在GaN基發光二極體外延片的出光面上生長一層ZnO單晶薄膜；步驟3利用溼法化學腐蝕的方法，腐蝕ZnO單晶薄膜的表面，使ZnO單晶薄膜的表面在位錯處出現腐蝕坑；步驟4光刻生長有ZnO單晶薄膜的GaN基發光二極體外延片，在GaN基LED外延片上形成重複的LED基本結構單元，刻蝕LED基本結構單元的一側形成一臺面，製作出LED的基本晶片結構；步驟5在LED的基本晶片結構的檯面上製作n電極，在ZnO單晶薄膜的表面上或出光面上製作p電極，完成器件的製作。
文檔編號H01L33/00GK101894890SQ200910084159
公開日2010年11月24日 申請日期2009年5月20日 優先權日2009年5月20日
發明者劉禎, 曾一平, 段垚, 王曉峰 申請人:中國科學院半導體研究所