CN101834253A

CN101834253A - 氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管及其制备方法

Info

Publication number: CN101834253A
Application number: CN 201010167517
Authority: CN
Inventors: 杨连乔; 张建华
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2010-09-15

Abstract

本发明涉及了一种氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管及其制备方法。本大功率发光二极管的芯片是蓝宝石sapphire衬底上依次沉积有n型氮化镓n-GaN，多量子阱活性发光区MQW，p型氮化镓p-GaN，氧化锌ZnO基透明薄膜层，金属薄膜层和氧化锌ZnO基透明薄膜层，在氧化锌ZnO基透明薄膜层上有正极金属焊点，在n型氮化镓n-GaN层上有负极金属焊点。本发明采用高导电性稳定金属薄膜层的***，提高叠层氧化锌ZnO透明电极的有效载流子浓度，从而实现更佳的p型氮化镓p-GaN区域的电流扩散与良好的欧姆接触，有效避免了局部热与热应力的集中，从而提高大功率发光二极管的出光散热性能与器件的可靠性。

Description

氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧化锌ZnO叠层电极氮化镓GaN基大功率发光二极管及其制备方法，目的是通过控制透明电极的结构与沉积方法实现透明电极与p型氮化镓p-GaN良好的欧姆接触并促进注入电流在p型氮化镓p-GaN区域的均匀扩散，减少芯片内部局部热与热应力的集中，从而提高大功率发光二极管HPLED的出光散热效率与器件的可靠性。

背景技术

由于功率发光二极管LED具有节能环保的双重优势，半导体照明被认为是二十一世纪最有发展前景的新一代节能照明光源。LED光源具有广阔的市场前景，但要真正取代传统光源，在普通照明、汽车前灯等应用领域取得突破，必须解决制约大功率LED发展的瓶颈：出光和散热，核心是持续提高LED的出光效率(光效)和光效稳定性。目前提高LED发光效率的途径有二种，一是提高内量子效率，二是提高外量子效率。而目前外量子效率普遍只达到30％，还有很大的提升空间。另外，LED所谓的环保是指没有荧光灯的汞等贵金属污染。而其本身并没有实现完全的绿色环保，比如目前广泛使用的ITO透明电极。其中的In金属属于稀有资源，价格昂贵且有毒性。所以，寻求更物美价廉的新材料替代已成熟但尚有缺点的材料也是一项具有重要的经济和人文价值的工作。氧化锌材科由于资源丰富，光电特性优异，化学稳定性好等优点，成为半导体材料的研究热点。研究表明经ⅢA族掺杂的氧化锌薄膜具有高透过率、低电阻率的特点，成为替代ITO最有前景的材料之一。国际国内针对氧化锌透明导电薄膜在LED上的应用已于2003年左右展开了相应的研究，主要有台湾、日本、美国、韩国等地。内陆地区的中国科学院半导体研究所、厦门大学等也有相关器件研究。然而，欧姆接触是形成优良性能光电器件的基础。接触电阻大，导致器件发热，光电效率下降，且浪费能源。对LED而言，电极材料与半导体材料接触性能的好坏(接触电阻的大小)将直接影响器件的阈值电压。氧化锌ZnO是Ⅱ-Ⅵ族的化合物半导体，它的带隙宽度可达3.37eV，对于可见光具有很高的透明度。本征氧化锌由于间隙锌原子和氧空位等缺陷，呈现弱n型半导体性质，电阻较高。然而，通过ⅢA族元素掺杂，氧化锌可以由高阻态转变为低阻态。因此，掺杂的氧化锌具有了透明导电薄膜最基本的两个特性：高透过率、低电阻率。因为ZnO与GaN晶格较匹配，其作为GaN基LED的电极具有得天独厚的条件：两者同属六方纤锌矿晶体结构，a轴方向失配率为1.9％，c轴方向仅为0.4％。然而，氧化锌的功函数约为4.3eV，小于氮化镓的7.5eV，且掺杂的氧化锌属n型半导体，所以两者之间较大的接触势垒，容易形成肖特基接触。所以，必须通过提高薄膜的载流子浓度、去除氮化镓表面氧化层等方法降低接触势垒。

由于上述背景，寻求一种大幅提高氧化锌ZnO薄膜载流子浓度的技术成为了实现ZnO/p-GaN欧姆接触与均匀的电流扩散的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管及其制备方法。

为达到上述目的，本发明的构思是提出了一种适用于氮化镓GaN基大功率发光二极管的叠层氧化锌ZnO基透明电极的结构与制备方法。此电极设计的依据主要为通过导电率优良且稳定的金属薄层的***提高叠层氧化锌ZnO电极整体的有效载流子浓度，此时耗尽层很薄，以致能发生场发射(即载流子可借隧道效应穿过势垒)，因此在零偏压下接触具有很低的电阻。有效载流子浓度的提高不但能够促进优良欧姆接触的形成，还能提高电极整体的导电性，从而促进电流在p型氮化镓p-GaN区域的均匀扩散，减少热与热应力的集中，提高器件的可靠性。

采用此电极结构与制备方法制备的芯片包括蓝宝石sapphire衬底、n型氮化镓n-GaN、多量子阱活性发光区MQW、p型氮化镓p-GaN、氧化锌ZnO基透明薄膜层、金属薄膜层、氧化锌ZnO基透明薄膜层、正金属焊点、负金属焊点。其中，蓝宝石sapphire衬底上表面可为平面或微图形化pss。氧化锌ZnO基透明薄膜层(3)、(1)材料为氧化锌ZnO，氧化锌镓GZO(氧化锌ZnO掺镓Ga)，氧化锌铝AZO(氧化锌ZnO掺铝Al)，氧化锌铟IZO(氧化锌ZnO掺铟In)。金属薄膜层的材料可为金Au，银Ag，铂Pt，或铜Cu。叠层电极的最上层氧化锌ZnO基透明薄膜层可通过沉积工艺参数控制或沉积后掩膜刻蚀的方法表面微结构与光子晶体等表面微结构。制备过程中通过调节叠层电极各层的掺杂浓度、厚度与沉积后处理(退火)等，可实现导电率接近一个数量级的提升。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于：芯片是蓝宝石sapphire衬底，其上依次沉积有n型氮化镓n-GaN层、多量子阱活性发光区MQW、p型氮化镓p-GaN层、氧化锌ZnO基透明薄膜层、金属薄膜层和氧化锌ZnO基透明薄膜层构成，在氧化锌ZnO基透明薄膜层上有正极金属焊点，在n型氮化镓n-GaN层上有负极金属焊点。

所述蓝宝石sapphire衬底上表面为平面或微图形化pss。所述氧化锌ZnO基透明薄膜层材料为氧化锌ZnO，氧化锌镓GZO(氧化锌ZnO掺镓Ga)，氧化锌铝AZO(氧化锌ZnO掺铝Al)和氧化锌铟IZO(氧化锌ZnO掺铟In)中任一种。所述金属薄膜层的材料可为金Au，银Ag，铂Pt，或铜Cu。所述氧化锌ZnO基透明薄膜层是通过沉积工艺参数控制或沉积后采用掩膜刻蚀的方法获得的表面微结构层和光子晶体表面微结构层中任一种。所述氧化锌ZnO基透明薄膜层的的薄膜厚度范围为10-200nm。所述金属薄膜层的厚度范围为1-20nm。

一种氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管的制备方法，其特征在于工艺步骤如下：

1)首先进行蓝宝石sapphire衬底上完成n型氮化镓n-GaN、多量子阱活性发光区MQW、p型氮化镓p-GaN的外延生长；

2)进行p型氮化镓p-GaN上表面的清洗、还原、活化与干燥处理；

3)在p型氮化镓p-GaN上表面沉积氧化锌ZnO基透明薄膜层；

4)在氧化锌ZnO基透明薄膜层上表面沉积金属薄膜层；

5)在金属薄膜层上表面沉积氧化锌ZnO基透明薄膜层；

6)掩膜刻蚀在指定的区域露出n型氮化镓n-GaN；

7)在芯片表面沉积正金属焊点、负金属焊点；

8)进行气体保护下退火处理，改善晶体质量。

其中，金属薄膜的厚度与沉积工艺需在不降低在可见光范围内透光率的前提下以提高电极的总体导电性根据配对氧化锌ZnO的特性进行优化。各层薄膜薄膜沉积之后可针对不同沉积方法和质量要求采取不退火或惰性气体保护下高达700度的退火。

本发明与现有的氧化锌ZnO电极相比较，其优点主要在于通过高导电金属薄膜层的***提高叠层ZnO基透明电极的整体载流子浓度(有效载流子浓度)大幅度的提升，从而降低p电极的电阻，实现更好的电流扩散效果与良好的欧姆接触，从而有效地提升大功率发光二极管HPLED的出光散热性能。

附图说明

图1.叠层氧化锌ZnO基透明电极作为大功率发光二极管p电极的芯片结构侧视图

图2.叠层氧化锌ZnO基透明电极作为大功率发光二极管p电极的芯片结构俯视图

具体实施方式

本发明的优选实施例综合附图说明如下：

实施例一：参见图1和图2，本氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其芯片是蓝宝石sapphire衬底7上依次有n型氮化镓n-GaN层6、多量子阱活性发光区MQW 5、p型氮化镓p-GaN层4、氧化锌ZnO基透明薄膜层3、金属薄膜层2和氧化锌ZnO基透明薄膜层1构成，在氧化锌ZnO基透明薄膜层1上有正极8金属焊点，在n型氮化镓n-GaN层6上有负极9金属焊点。

实施例二：本实施例与实施例一相同，特别之处如下：所述蓝宝石sapphire衬底7上表面为平面或微图形化pss。所述氧化锌ZnO基透明薄膜层3、1材料为氧化锌ZnO，氧化锌镓GZO(氧化锌ZnO掺镓Ga)，氧化锌铝AZO(氧化锌ZnO掺铝Al)和氧化锌铟IZO(氧化锌ZnO掺铟In)中任一种。所述金属薄膜层2的材料可为金Au，银Ag，铂Pt，或铜Cu。所述氧化锌ZnO基透明薄膜层1是通过沉积工艺参数控制或沉积后采用掩膜刻蚀的方法获得的表面微结构层和光子晶体表面微结构层中任一种。所述氧化锌ZnO基透明薄膜层3、1的的薄膜厚度范围为10-200nm。所述金属薄膜层的厚度范围为1-20nm。

实施例三：

上述氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管的制备方法，工艺步骤如下：

a)首先进行蓝宝石sapphire衬底7上完成n型氮化镓n-GaN层6、多量子阱活性发光区MQW 5和p型氮化镓p-GaN层4的外延生长；

b)进行p型氮化镓p-GaN层4上表面的清洗、还原、活化与干燥处理；

c)在p型氮化镓p-GaN层4上表面沉积氧化锌ZnO基透明薄膜层3；

d)在氧化锌ZnO基透明薄膜层3上表面沉积金属薄膜层2；

e)在金属薄膜层2上表面沉积氧化锌ZnO基透明薄膜层1；

f)掩膜刻蚀在指定的区域露出n型氮化镓n-GaN层6；

g)在芯片表面沉积正极8金属焊点、负极9金属焊点；

h)进行气体保护下退火处理，改善晶体质量。

所述氧化锌ZnO基透明薄膜层3、1与金属薄膜层2在上述的工艺步骤3、4、5之后，针对不同沉积方法和质量要求采取不退火或惰性气体保护下高达700度的退火。

Claims

1.一种氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于：

芯片是蓝宝石sapphire衬底(7)，其上依次沉积有n型氮化镓n-GaN层(6)、多量子阱活性发光区MQW(5)、p型氮化镓p-GaN层(4)、氧化锌ZnO基透明薄膜层(3)、金属薄膜层(2)和氧化锌ZnO基透明薄膜层(1)构成，在氧化锌ZnO基透明薄膜层(1)上有正极(8)金属焊点，在n型氮化镓n-GaN层(6)上有负极(9)金属焊点。

2.根据权利要求1所述的氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于所述蓝宝石sapphire衬底(7)上表面为平面或微图形化pss。

3.根据权利要求1所述的氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于所述氧化锌ZnO基透明薄膜层(3)、(1)材料为氧化锌ZnO，氧化锌镓GZO(氧化锌ZnO掺镓Ga)，氧化锌铝AZO(氧化锌ZnO掺铝Al)和氧化锌铟IZO(氧化锌ZnO掺铟In)中任一种。

4.根据权利要求1所述的氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于所述金属薄膜层(2)的材料可为金Au，银Ag，铂Pt和铜Cu中任一种。

5.根据权利要求1所述的氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于所述氧化锌ZnO基透明薄膜层(1)是通过沉积工艺参数控制或沉积后采用掩膜刻蚀的方法获得的表面微结构层和光子晶体表面微结构层中任一种。

6.根据权利要求1所述的氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于所述氧化锌ZnO基透明薄膜层(3)、(1)的薄膜厚度范围为10-200nm。

7.根据权利要求1所述的氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于所述金属薄膜层(2)的厚度范围为1-20nm。

8.一种氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管的制备方法，用于制备根据权利要求1所述的氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管，其特征在于工艺步骤如下：

1)首先进行蓝宝石sapphire衬底(7)上完成n型氮化镓n-GaN层(6)、多量子阱活性发光区MQW(5)和p型氮化镓p-GaN层(4)的外延生长；

2)进行p型氮化镓p-GaN层(4)上表面的清洗、还原、活化与干燥处理；

3)在p型氮化镓p-GaN层(4)上表面沉积氧化锌ZnO基透明薄膜层(3)；

4)在氧化锌ZnO基透明薄膜层(3)上表面沉积金属薄膜层(2)；

5)在金属薄膜层(2)上表面沉积氧化锌ZnO基透明薄膜层(1)；

6)掩膜刻蚀在指定的区域露出n型氮化镓n-GaN层(6)；

7)在芯片表面沉积正极(8)金属焊点、负极(9)金属焊点；

8)进行气体保护下退火处理，改善晶体质量。

9.根据权利要求1所述的氧化锌叠层电极氮化镓基大功率发光二极管及其制备方法，其特征在于所述氧化锌ZnO基透明薄膜层(3)、(1)与金属薄膜层2)在完成权利要求书8所述的工艺步骤3)、4)、5)之后，针对不同沉积方法和质量要求采取不退火或惰性气体保护下高达700度的退火。