CN102479905A - 一种提高发光器件出光效率的多层导电透明膜及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高发光器件出光效率的多层导电透明膜及其方法，是在P型GaN表面外延片上依次由里至外生长一高折射系数的透明电极层和一ITO透明电极层；所述透明电极层的折射系数n＞2.0，采用化学气相沉积或物理气相沉积生长该透明电极层，将各单体电极制成微球或锥形状，将所有高折射系数透明电极用掩膜版光刻-刻蚀法、选择生长法、溶胶-凝胶法或自主装法形成周期排列的阵列。在不降低光电器件的电学性能下，提高了光电器件的出光效率。

Description

一种提高发光器件出光效率的多层导电透明膜及其方法

技术领域

本发明涉及电子元器件制造技术领域，尤其涉及一种可提高发光器件出光效率的多层导电透明膜及其方法。

背景技术

虽然GaN基光电器件(LED发光器件)在近年来取得了相当大的进展，但是较难实现低阻的P型GaN欧姆接触。有两方面的原因阻碍低阻的P-GaN欧姆接触：一方面是难于生长重掺杂的P-GaN材料(P型浓度＞10¹⁸cm^-3)；另一方面是缺乏合适的接触金属材料，P-GaN材料的功函数很大(7.5eV)，而功函数最大的金属Pt也只有5.6eV。除此之外，金属化工艺(包括表面处理、金属沉积和合金化处理)的条件也会影响P-GaN的接触电阻。

对于采用P型接触做透明电极的GaN基发光器件，接触材料的透射率对于发光器件的性能(如外量子效率、光输出功率等)至关重要。传统的LED采用Ni/Au作为P型GaN的接触材料，而几个纳米厚的Ni/Au接触是半透明的，其在可见光波段的透射率只有60％～75％。虽然可以通过减小接触层的厚度来提高透射率，但是太薄的接触层会带来热稳定性和可靠性的问题。

ITO(indium tin oxide；氧化铟锡)由于在可见光波段的高透明度(～90％)和低阻(＜5×10^-4Ω·cm²)而广泛地用作透明导体。因此，ITO无论在光学上还是电学上都是GaN基LED可用的P型接触材料。参见图1，近些年来，GaN基光电器件一般采用在P型GaN表面外延片10上直接覆着(生长)ITO透明电极层11。

但随着对光电器件的光学性能的不断提高的需求，上述ITO作为透明电极满足不了需求，特别是由于GaN的折射率2.48，ITO的折射率2.0，由于全反射将导致出光效率降低。

ZnO是一种II-VI族直接宽禁带化合物半导体材料，室温禁带宽Eg＝3.37eV。ZnO在可见光波段的通过率＞80％，并且P型ZnO的折射率为2.2比ITO的折射率2.0更高，因而有希望成为发光器件的透明电极。

P型ZnO的制备方式有如下几种方式：1.以V族元素为受主源，比如氮元素。科学家K.Minegishi于1997年首次报道了用CVD方法NH3掺杂，制备出P型ZnO薄膜；2.以I族元素为受主源；3.III-V族元素共掺杂，共掺技术实现P型ZnO的研究主要包括N2-Ga共掺、N2-Be共掺、N2-In共掺等；4.其他方法，比如先采取直流反应溅射法，通过增加氧与氩的比例(83％)，在很低的功率下制备了薄膜。但是P型ZnO和P型GaN欧姆接触不好，影响其应用。

因此，如何解决P型ZnO和P型GaN的欧姆接触，在不增器件制作的成本，工艺的复杂性的前提下有效提高光电器件的出光效率，已成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高P型GaN发光器件出光效率的方法，通过在所述P型GaN表面制作高折射率透明导电电极阵列，其上再覆盖传统的ITO透明电极，既解决了高折射率透明导电电极和P型GaN的欧姆接触，又可在不增大器件尺寸的前提下有效提高出光效率。

本发明的另一目的是提供一种用于提高P型GaN发光器件出光效率的多层导电透明膜，在所述P型GaN表面上制作该多层导电透明膜，可以有效提高P型GaN发光器件的品质。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种提高P型GaN发光器件出光效率的方法，其是在P型GaN表面外延片上依次由里至外生长一高折射系数的透明电极层和一氧化铟锡(ITO)透明电极层，所述透明电极层的折射系数n＞2.0。

可以采用化学气相沉积或物理气相沉积生长高折射系数的高折射系数的透明电极层。

将所述的高折射系数的透明电极制成微球或锥形状，将所有高折射系数透明电极以阵列周期排列。

上述形成高折射系数的透明电极以周期排列的阵列的方法采用掩膜版光刻-刻蚀法、选择生长法、溶胶-凝胶法或自主装法。

使用掩膜版光刻-刻蚀形成高折射系数透明电极的阵列的刻蚀工艺为湿法刻蚀或干法刻蚀。

一种用于提高P型GaN发光器件出光效率的多层导电透明膜，其包括一在P型GaN表面外延片上生长的高折射系数透明电极层，再在该高折射系数透明电极层的外表面覆盖ITO透明电极层，所述透明电极层的折射系数n＞2.0。

所述高折射系数的透明电极(单体)为微球或锥形状，所有高折射系数透明电极以阵列周期排列。

所述的掩膜版光刻-刻蚀法是先在衬底表面涂上光刻胶，然后利用掩膜版曝光，再显影，使得光刻胶上掩膜版的图形得到保留或剥离，然后再利用化学方法将不需要的图形移去。

所述的选择生长法是使用图形化P型GaN表面外延片衬底，利用导电透明膜在P型GaN表面外延片的不同物理或化学特性，有选择的在P型GaN表面外延片衬底上生长导电透明膜。

所述的溶胶-凝胶法利用易于水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥烧结等后处理得到所需材料，基本反应有水解反应和聚合反应。这种方法可在低温下制备纯度高，粒径分布均匀，化学活性高的单多组分混合物(分子级混合)。

所述的自主装方法是指在热力学平衡条件下，分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间利用分子识别，相互通过分子间大量弱的非共价键作用力，自发连接成具有特定排列顺序、结构稳定的分子聚集体的过程。这里的“弱非共价键作用力”系指氢键、范德华力、静电力、疏水作用力、π-π堆积作用、阳离子-π吸附作用等)。

本发明的优点是：大大减少光功率损失，既解决了P型ZnO和P型GaN发光器件的欧姆接触，又在不提高器件尺寸的前提下有效提高了出光效率。

附图说明

图1为现有技术的导电透明膜的示意图。

图2为本发明用于提高发光器件出光效率的多层导电透明膜结构示意图。

图3为本发明提高发光器件出光效率的方法流程图。

图4为完成图3中步骤S31后光电器件的结构俯视示意图。

图5为完成图3中步骤S32后光电器件的结构俯视示意图。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

具体实施方式

参阅图2所示，本发明用于提高发光器件出光效率的多层导电透明膜亦包括一在P型GaN表面外延片10上生长的高折射系数透明电极层12，再在该高折射系数透明电极层12的外表面覆盖ITO透明电极层11。

本发明的主要发明点在于：在传统的GaN基光电器件P型GaN表面外延片10与ITO透明电极层11之间夹合生长一高折射系数n＞2.0的透明电极层12。该透明电极层12可以选用P型ZnO电极层薄膜(如：ZrO2-Y2O3，In2O3-Sb2O3，AlSb，GaSb，InGaSb，InSb，AlAs，InSb，AgBr，TlBr，AgCl，TlCl，CoSi2，TiSi等)，采用P型ZnO电极层薄膜，其厚度应为100-200nm为宜，单体电极的形状以微球或锥形状较佳，并将所有高折射系数透明电极以阵列周期排列。

所述的ITO(氧化铟锡)透明电极厚度选择在200～400nm。

本发明同时提供了提高P型GaN发光器件出光效率的方法，包括以下步骤：a、提供一P型GaN表面外延片；b、在该GaN外延片上形成高折射系数(n＞2.0)的透明电极层，且将该透明电极层所有的电极规则阵列排布；c、在透明电极层上再覆盖传统的ITO透明电极。

在上述的提高P型GaN发光器件出光效率的方法中，P型GaN表面的高折射率透明导电电极可以是P型ZnO薄膜，生长工艺可以为化学气相沉积，或物理气相沉积。

采用化学气相沉积生长P型ZnO薄膜的具体方法可以是：用醋酸锌或二乙基二硫代氨基甲酸锌为有机源，氮气为载气，可以得到氧化锌。

采用物理气相沉积生长P型ZnO薄膜的具体方法可以是：用电子束蒸发或激光脉冲法ZnO颗粒。

在上述的提高P型GaN发光器件出光效率的方法中，将所述的高折射系数的透明电极制成微球或锥形状，将所有高折射系数透明电极以阵列周期排列；该周期排列成阵列的方法可以采用掩膜版光刻-刻蚀法、选择生长法、溶胶-凝胶法或自主装法。

采用掩膜版光刻-刻蚀法对所有高折射系数透明电极进行阵列周期排列可以是湿法刻蚀(如用盐酸)或干法刻蚀(使用Cl2/Ar为反应气，使用ICP方法)具体方法步骤如下：

采用选择生长法对所有高折射系数透明电极进行阵列周期排列的具体方法步骤如下：

先在P型GaN外延片上覆盖一层模板，模板上有周期排列的重复单元，然后使用化学气象沉积，生长透明薄膜，就可以得到高折射系数透明电极阵列。

采用溶胶-凝胶法对所有高折射系数透明电极进行阵列周期排列的具体方法步骤如下：

先在P型GaN外延片上覆盖一层溶胶-凝胶溶液，然后加热蒸发去除有机溶液，就可以得到高折射系数透明电极阵列；

在上述的提高P型GaN发光器件出光效率的方法中，P型ZnO薄膜的厚度为100-200nm。

在上述提高P型GaN发光器件出光效率的方法中，P型ZnO阵列的特征尺寸(单体宽度)为2-5μm，其间隔周期为5-10μm。

在上述的提高P型GaN发光器件出光效率的方法中，ITO透明电极的厚度为200-400nm。

与现有技术中仅利用ITO薄膜作为透明电极相比，使用P型ZnO微球或锥形状阵列和ITO薄膜多层导电透明膜，由于P型ZnO的折射率为2.2比ITO的折射率2.0更高，因而可以减少由于全反射导致的光功率损失。

针对光电器件，与现有技术中仅利用ITO薄膜作为透明电极相比，当其结构为如图1所示时，其透明电极ITO的折射率为2.0，而当其结构为如图2所示时即为本发明的实施例时，由于在P型ZnO上再覆盖ITO透明电极状，而P型ZnO的折射率为2.2比ITO的折射率2.0更高，因而可以减少由于全反射导致的光功率损失。由于ITO覆盖在P型ZnO上，所以多层透明电极和P型GaN的欧姆接触电阻类似传统的ITO和P型GaN的欧姆接触电阻。如此既解决了P型ZnO和P型GaN的欧姆接触，又在不提高器件尺寸的前提下有效提高了出光效率。由于P型ZnO的更高的折射率，本发明的新型多层导电透明膜较现有技术提高出光效率10％-20％。

参见图3，其为本发明提高P型GaN发光器件出光效率的方法的流程图，如图所示，本发明的提高P型GaN发光器件出光效率的方法一实施例首先进行步骤S30，提供一P型GaN表面外延片。

接着继续步骤S31，在所述P型GaN表面外延片上使用化学气相沉积或物理气相沉积，生长一层新的P型ZnO薄膜，其厚度为100-200nm。

参见图4，其显示了完成步骤S31后的器件俯视图。

接着继续步骤S32，在所述薄膜上进行光刻，使用湿法或干法刻蚀，形成P型ZnO阵列，其形状可以是微球状、锥形等；以微球状为例其直径为2-5μm，其间隔周期为5-10μm。

参见图5，其显示了完成步骤S32后的器件俯视图。

接着继续步骤S33，P型ZnO上再覆盖ITO透明电极，其厚度为200-400nm。完成步骤S33后的光电器件的组成结构如图2所示。

综上所述，本发明用于提高P型GaN发光器件出光效率的多层导电透明膜急求方法，使用P型ZnO微球阵列和ITO薄膜多层导电透明膜，由于P型ZnO的折射率为2.2比ITO的折射率2.0更高，如此既解决了P型ZnO和P型GaN的欧姆接触，又在不提高器件尺寸的前提下有效的提高了出光效率。

Claims (9)

1.一种提高发光器件出光效率的方法，其特征在于：在P型GaN表面外延片上依次由里至外生长一高折射系数的透明电极层和一ITO透明电极层，所述透明电极层的折射系数n＞2.0。

2.根据权利要求1所述的提高发光器件出光效率的方法，其特征在于：采用化学气相沉积或物理气相沉积生长高折射系数的高折射系数的透明电极层。

3.根据权利要求1所述的提高发光器件出光效率的方法，其特征在于：将所述的高折射系数的透明电极制成微球或锥形状，将所有高折射系数透明电极以阵列周期排列。

4.根据权利要求3所述的提高发光器件出光效率的方法，其特征在于：形成高折射系数的透明电极以周期排列的阵列的方法采用掩膜版光刻-刻蚀法、选择生长法、溶胶-凝胶法或自主装法。

5.根据权利要求4所述的提高发光器件出光效率的方法，其特征在于：使用掩膜版光刻-刻蚀形成高折射系数透明电极的阵列的刻蚀工艺为湿法刻蚀或干法刻蚀。

6.一种用于提高发光器件出光效率的多层导电透明膜，其特征在于：其包括一在P型GaN表面外延片上生长的高折射系数透明电极层，再在该高折射系数透明电极层的外表面覆盖ITO透明电极层，所述透明电极层的折射系数n＞2.0。

7.根据权利要求6所述的多层导电透明膜，其特征在于：所述高折射系数的透明电极单体为微球或锥形状，所有高折射系数透明电极以阵列周期排列。

8.根据权利要求6所述的多层导电透明膜，其特征在于：所述高折射系数的透明电极层为P型ZnO电极层薄膜，该P型ZnO电极层薄膜的厚度为100-200nm。

9.根据权利要求6所述的多层导电透明膜，其特征在于：所述的ITO透明电极厚度为200～400nm。

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