CN101777616A - 氧化锌基透明电极发光二极管及其制作方法 - Google Patents

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张建华
王书方
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Abstract

本发明涉及一种氧化锌基透明电极发光二极管及其制作工艺。本发光二极管包括：在蓝宝石衬底上依次有缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓和氧化锌基透明电流扩展层、并有n型金属电极(PAD)连接n型氮化镓，p型金属电极(PAD)连接氧化锌透明电流扩展层。其制作方法是：缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓是在MOCVD中依次生长完毕；氧化锌基透明电流扩展层是利用磁控溅射方法沉积在p型氮化镓表面；利用干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，退火处理后利用热蒸发或电子束蒸发等薄膜沉积方法生长金属电极。芯片尺寸为1mm×1mm，为辅助氧化锌进行更好的电流扩散，设计出不同形状的p型金属电极。氧化锌透明电极提高了LED芯片光提取效率，不同形状的p型金属电极使得电流扩散更均匀，从而提高LED芯片的可靠性。

Description

氧化锌基透明电极发光二极管及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种发光二极管芯片及其制作方法，特别是一种氧化锌基透明电极发光二极管及其制作方法。
背景技术
理论上LED的发光效能可以高达200lm/W以上，而现有的白光LED则只有100lm/W左右，与节能型荧光灯相比还有一定差距；而且其价格与传统光源相比也有很大的劣势。提高LED的发光效率的途径主要有两种：1)提高LED芯片的内量子效率；2)提高LED芯片的外量子效率。目前，超高亮度LED的内量子发光效率已经有非常大的改善，最高已经达到80％，进一步改善的空间不大。因此提高LED芯片的外量子效率是提高LED总发光效率的关键。而传统结构GaN基LED由于全反射和吸收等原因，光提取效率只有百分之几，提高空间很大。同时LED芯片发热也影响着大功率LED的质量和使用寿命。目前采用的提高LED外量子效率的方法主要有：透明衬底技术、金属膜反射技术、表面微结构技术、倒装芯片技术、芯片键合技术、激光剥离技术等。
特别是由于p-GaN欧姆接触的阻抗一直难以降低，GaN基LED在工作时很大一部分电压会落在p-GaN欧姆接触的界面上，这也会导致在p-GaN欧姆接触界面上产生大量的热量，从而引起器件失效。目前改善欧姆接触的主要技术有表面预处理技术、退火技术、采用异质结和超晶格结构技术、重掺杂技术等。而Ni/Au基金属化和ITO透明导电薄膜是其中比较成熟的技术。
为了降低p-GaN的接触电阻和使电流扩散均匀，p-GaN厚度较薄，一般小于0.2微米，同时p-GaN电极面积较大。电极层对光的遮挡和吸收是影响外量子效率的一个重要因素。因此，实现低欧姆接触阻抗的p-GaN透明电极，对提高LED的质量、使用寿命和发光效率，促进LED在照明领域中的应用，有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种氧化锌基透明电极发光二极管芯片及其制造方法，本发光二极管芯片提高了大功率发光二极管(LED)的出光效率，增加p型半导体层电流扩散的均匀性。
为达到上述目的，本发明的构思是：针对当前LED存在的铟资源紧缺、铟的有毒性、工艺复杂等问题，提出采用透过率高、掺杂导电性好、资源丰富的氧化锌做为电流扩展层，同时通过设计特定形状的p型金属电极极大的提高了p型半导体层的电流扩散均匀性。从而提高LED光效和可靠性。
根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种氧化锌基透明电极发光二极管，包括：在蓝宝石衬底上依次有缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓和透明电极，并有n型金属电极(PAD)连接n型氮化镓，p型金属电极(PAD)连接透明电极。其中缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓是在MOCVD中依次生长完毕；其特征在于所述透明电极是氧化锌基透明导电薄膜，材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In；所述n型金属电极(PAD)是金属复合电极，材质是Ti/Al或Cr/Pt/Au；所述p型金属电极(PAD)是金属复合电极，材质是Ni/Au或Cr/Pt/Au。
上述的p型金属电极具有不同的形状：为小圆台型，或呈对角线分布的多交叉枝型，或呈对角线分布的工字型；不同的形状p型金属电极使得电流扩散更均匀，提高LED芯片的可靠性。
一种用于上述氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于工艺步骤如下：
1)用MOCVD的方法在衬底上依次缓冲层、本征层、n型氮化镓、量子阱、p型氮化镓；
2)对外延片进行镁激活退火处理；
3)使用NaOH或者HF或者王水等化学试剂对外延片进行表面处理；
4)通过磁控溅射方法，沉积氧化锌透明导电薄膜；
5)通过利用氩离子或ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，制备出所需芯片结构；
6)对外延片进行退火处理，一方面降低氧化锌与氮化镓之间的接触电阻，一方面修复刻蚀损伤；
7)通过热蒸发或电子束蒸发的方法沉积n型金属电极(PAD)和p型金属电极(PAD)；
8)再次退火处理，进行金属电极的合金化；
9)分割外延片。
本发明的氧化锌基透明电极发光二极管与传统镍金电极和掺锡氧化铟电极相比具有显而易见的优势：透过率增加，制备工艺简单，成本低廉，p型半导体层电流扩散更均匀。效率的提高、可靠性的提高和成本的降低都将推动LED照明的步伐。
附图说明
图1是本发明的未沉积金属电极的LED芯片结构图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；
图2是本发明p型电极形状之一，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；
图3是本发明p型电极形状之二，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；
图4是本发明p型电极形状之三，其中(a)为主视图，(b)为俯视图；
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：参见图1、图2、图3、图4，本氧化锌基透明电极发光二极管包括：在蓝宝石衬底1上依次有缓冲层2、本征层3、n型氮化镓4、量子阱5、p型氮化镓6和透明电极7，并有n型金属电极(PAD)8连接n型氮化镓4，p型金属电极(PAD)9连接透明电流扩展层7。其中缓冲层2、本征层3、n型氮化镓4、量子阱5、p型氮化镓6是在MOCVD中依次生长完毕；所述透明电极7是氧化锌基透明导电薄膜，材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In；所述n型金属电极(PAD)8是金属复合电极，材质是Ti/Al或Cr/Pt/Au；所述p型金属电极(PAD)9是金属复合电极，材质是Ni/Au或Cr/Pt/Au。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：p型金属电极具有不同的形状：为小圆台型，或呈对角线分布的多交叉枝型，或呈对角线分布的工字型；不同的形状p型金属电极9使得电流扩散更均匀，提高LED芯片的可靠性。
实施例三：本氧化锌基透明电极发光二极管芯片制造方法如下：首先，用MOCVD的方法在衬底上依次缓冲层2、本征层3、n型氮化镓4、量子阱5、p型氮化镓6；紧接着对外延片进行镁激活退火处理；然后使用NaOH或者HF或者王水等化学试剂对外延片进行表面处理，通过磁控溅射方法，沉积氧化锌透明导电薄膜7；通过利用氩离子或ICP等干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，制备出所需芯片结构并进行退火处理；通过热蒸发或电子束蒸发的方法沉积n型金属电极(PAD)8和p型金属电极(PAD)9；最后，进行金属电极的合金化退火处理并分割外延片。
实施例四：本实施例与实施例三基本相同，特别之处是：所述的氧化锌基透明电极是利用磁控溅射的方法沉积在p型氮化镓表面；利用氩离子或ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，退火处理后利用热蒸发或电子束蒸发等薄膜沉积方法生长金属电极。
芯片尺寸为1mm×1mm，为辅助氧化锌进行更好的电流扩散，设计出不同形状的p型金属电极。氧化锌透明电极提高了LED芯片光提取效率，不同形状的p型金属电极使得电流扩散更均匀，从而提高LED芯片的可靠性。

Claims (6)

1.一种氧化锌基透明电极发光二极管，包括：在蓝宝石衬底(1)上依次有缓冲层(2)、本征层(3)、n型氮化镓(4)、量子阱(5)、p型氮化镓(6)和透明电极(7)，并有n型金属电极(8)连接n型氮化镓(4)，p型金属电极(9)连接透明电流扩展层(7)，其中缓冲层(2)、本征层(3)、n型氮化镓(4)、量子阱(5)、p型氮化镓(6)是在MOCVD中依次生长完毕；其特征在于所述透明电极(7)是氧化锌基透明导电薄膜，材质是ZnO:Ga或ZnO:Al或ZnO:In；所述n型金属电极(8)是金属复合电极，材质是Ti/Al或Cr/Pt/Au；所述p型金属电极(9)是金属复合电极，材质是Ni/Au或Cr/Pt/Au。
2.根据权利要求1所述的氧化锌基透明电极发光二极管，其特征在于p型金属电极具有不同的形状：为小圆台型，或呈对角线分布的多交叉枝型，或呈对角线分布的工字型；不同的形状p型金属电极(9)使得电流扩散更均匀，提高LED芯片的可靠性。
3.一种用于根据权利1要求所述的氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于工艺步骤如下：
a.用MOCVD的方法在衬底上依次缓冲层(2)、本征层(3)、n型氮化镓(4)、量子阱(5)、p型氮化镓(6)；
b.对外延片进行镁激活退火处理；
c.使用NaOH或者HF或者王水作为处理液对外延片进行表面处理；
d.通过磁控溅射方法，沉积氧化锌透明导电薄膜(7)；
e.通过利用氩离子或ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，制备出所需芯片结构；
f.对外延片进行退火处理，一方面降低氧化锌与氮化镓之间的接触电阻，一方面修复刻蚀损伤；
g.通过热蒸发或电子束蒸发的方法沉积n型金属电极(8)和p型金属电极(9)；
h.再次退火处理，进行金属电极的合金化；
i.分割外延片。
4.根据权利要求3所述的氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于所述氧化锌基透明电极是利用磁控溅射的方法沉积在p型氮化镓表面。
5.根据权利要求3所述的氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于利用氩离子或ICP干法刻蚀将n型氮化镓暴露出来，退火处理后利用热蒸发或电子束蒸发等薄膜沉积方法生长金属电极。
6.根据权利要求3所述的氧化锌基透明电极发光二极管的制作方法，其特征在于芯片尺寸为1mm×1mm，为辅助氧化锌进行更好的电流扩散，设计出不同形状的p型金属电极，氧化锌透明电极提高了LED芯片光提取效率，不同形状的p型金属电极使得电流扩散更均匀，从而提高LED芯片的可靠性。
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