使用無掩模濕法蝕刻LED的納米圖案雙層ITO電極

引言

LED器件發(fā)出的光子往往會被氧化銦錫(ITO)透明電極與空氣/樹脂界面的全內(nèi)反射(TIR)捕獲在LED芯片內(nèi)，導致光提取效率較低。通過在氧化銦錫電極表面上形成納米尺度的圖案，可以有效地降低該界面處的全內(nèi)反射，該圖案的尺寸小于發(fā)射光的波長，以允許更多的光從發(fā)光二極管發(fā)射出去。

我們提出了一種雙層透明氧化銦錫(ITO)頂部電極方案，并演示了GaN基發(fā)光二極管光輸出功率的提高。所提出的雙層結(jié)構(gòu)由具有隨機分布的球形納米圖案的層和預退火底層組成，所述隨機分布的球形納米圖案僅通過無掩模濕法蝕刻工藝獲得，所述預退火底層用于保持電極的電流擴散。觀察到表面形貌和光電性能取決于蝕刻持續(xù)時間。該電極顯著提高了氮化鎵基發(fā)光二極管的光輸出功率，增強因子為2.18在100毫安時，與參考發(fā)光二極管相比，電氣性能沒有下降。

實驗

為了比較本方法中的光提取效率，我們制備了具有如下三種類型ITO電極的發(fā)光二極管：(1)初始厚度為400納米的單層電極(表示為SL400)；(2)初始厚度為800納米的單層電極(表示為SL800)；（3）雙層電極，具有初始厚度為400納米的頂層和初始厚度為400納米的底層(表示為DL400(頂部)/400(底部))。雙層納米結(jié)構(gòu)氧化銦錫電極(DL400/400)通過首先沉積400納米厚的底部氧化銦錫層，然后在空氣中于600℃退火1分鐘來制造，使得該層能夠抵抗后續(xù)的濕法蝕刻工藝。厚度為400納米的第二氧化銦錫層沉積在退火的氧化銦錫層上。納米結(jié)構(gòu)的氧化銦錫層是通過將沉積的第二氧化銦錫層浸入用去離子水稀釋(1∶6)的緩沖氧化物蝕刻劑(BOE)溶液中而形成的。通過在BOE溶液中蝕刻0、20、40、60、90和120秒來控制表面納米結(jié)構(gòu)，以觀察電極形態(tài)的演變。蝕刻后，氧化銦錫層在空氣中于600℃退火1分鐘。對于單層納米結(jié)構(gòu)的氧化銦錫電極(SL400和SL800)，在與雙層氧化銦錫頂部電極相同的條件下圖案化沉積層和納米結(jié)構(gòu)表面。

利用金屬有機化學氣相沉積系統(tǒng)，在藍寶石襯底上生長了由未摻雜氮化鎵、摻硅氮氮化鎵、銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源層和摻鎂磷氮化鎵組成的藍色發(fā)光二極管外延層。采用電感耦合等離子體臺面刻蝕法制作了300×300 μm芯片尺寸的藍色發(fā)光二極管器件。通過電子束蒸發(fā)沉積鈦/金(厚度為50/200納米)層作為n型電極。p-GaN層的歐姆接觸是通過電子束蒸發(fā)將p-接觸透明銅銦氧化物(3 nm) /ITO電極沉積到p-GaN上來實現(xiàn)的，并且該膜隨后在純氧環(huán)境中在600℃下退火1分鐘。通過電子束蒸發(fā)在氧化銦錫透明電極上沉積鉻/金(50/200納米)焊盤電極，完成了發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)。

結(jié)果和討論

我們已經(jīng)成功地展示了具有這種雙層ITO電極的超高亮度和穩(wěn)定開啟電壓的ITO/GaN薄膜LED。圖1示出了具有單層(圖1(a))和雙層(圖1(b)) ITO電極的發(fā)光二極管的示意圖。單層和雙層設計都具有納米結(jié)構(gòu)頂層，該頂層通過浸漬濕法蝕刻工藝圖案化，以最小化全內(nèi)反射的光俘獲。對于雙層氧化銦錫，額外的致密氧化銦錫層被預沉積并在頂部圖案化層下方退火，以保持良好的整體面內(nèi)電子傳導。

圖3(a)示出了具有不同浸蝕時間的SL400、SL800和DL400/400電極的薄層電阻。在60秒的蝕刻時間內(nèi)，SL400的薄層電阻從20歐姆/平方顯著增加到250歐姆/平方。即使在蝕刻120秒后，在SL800中也沒有觀察到如此巨大的薄層電阻跳躍；薄層電阻保持低至50歐姆/平方。這表明SL400中的大部分400納米氧化銦錫層在60秒后被蝕刻掉，而在SL800中，有限厚度的氧化銦錫保持未被蝕刻，因此是良好的電流擴散層。另一方面，即使在120秒的最長蝕刻之后，DL400/400 ITO電極的薄層電阻也僅從20歐姆/平方略微增加到22歐姆/平方。這些結(jié)果證明了氧化銦錫的薄層電阻很大程度上受蝕刻的影響，并且可以通過額外的預沉積和退火底層成功地保持較低，該底層用作有效的電流擴散層。

為了確定有效電流擴散的最佳厚度，我們還研究了底部氧化銦錫厚度對雙層電極整體薄層電阻的影響。

由于BOE溶液在沉積(非晶)的頂部氧化銦錫層和退火的底部氧化銦錫(多晶)[10]之間具有非常好的蝕刻選擇性，所以在濕浸蝕刻之后，底部層被期望保持幾乎完整。我們通過制造發(fā)光二極管器件和增加DL400/400電極上的濕浸蝕刻時間來驗證這一點，之后我們測量了它們的伏安特性(圖3(c))，具有浸蝕ITO電極的DL400/400發(fā)光二極管的I-V曲線與具有未蝕刻ITO的發(fā)光二極管保持一致，即使在120秒的最長蝕刻時間之后。這表明退火的底部氧化銦錫在不犧牲器件性能的情況下，對長時間的濕浸蝕具有抵抗力。因此，添加預退火的底部氧化銦錫層是穩(wěn)定電流擴散的有效方法，并且有助于防止操作期間的電退化。

總結(jié)

我們已經(jīng)展示了雙層納米結(jié)構(gòu)的ITO透明電極的制造，通過簡單的無掩模浸漬濕法蝕刻工藝圖案化，有效地提高了氮化鎵基藍色發(fā)光二極管的光提取效率。雙層氧化銦錫電極的特點是具有優(yōu)化表面納米圖案的納米結(jié)構(gòu)頂層，以大大減少發(fā)光二極管器件中的光截留，以及充當穩(wěn)定電流擴散層的致密底層。DL400/400 ITO電極發(fā)光二極管在100毫安時的光輸出功率是參考發(fā)光二極管的2.18倍。圖案化層下的密集底部電流擴散層的存在穩(wěn)定了雙層電極的導電，并且沒有觀察到薄層電阻的顯著退化。雙層氧化銦錫設計和制造工藝可以有效地提高氮化鎵藍色發(fā)光二極管的光提取效率，而不犧牲其電性能。納米圖案化通過1至2分鐘的可控濕浸蝕時間來完成，并且在高溫爐中的退火時間(1分鐘)比生長納米線所需的時間短得多，生長納米線需要在高溫下進行數(shù)小時的處理。這種簡單、低成本和可控的工藝很容易在大規(guī)模生產(chǎn)中應用于高亮度藍光發(fā)光二極管，并有可能促進藍光發(fā)光二極管在市場上的推廣。

審核編輯：符乾江