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蓝光LED芯片透明导电薄膜ITO退火工艺的研究

半导体技术第33卷增刊 2008年12月

蓝光LED 芯片透明导电薄膜ITO 退火工艺的研究

沈 燕,彭 璐,杨鑫沼,刘存志

(山东华光光电子有限公司,济南 250101)

摘要:蓝宝石衬底GaN 基LED 的电流拥挤效应一直是影响二极管寿命主要问题,常见问题有电流扩展层薄Ni/Au 层或IT O 导电薄膜。通过实验主要研究了IT O 导电膜的退火对蓝光LED 光电参数的影响,发现经过IT O 退火工艺的芯片比没有IT O 退火的芯片正向压降低0.2V 以上,亮度一致性更高,这为提高蓝光管芯参数性能提供了依据。关键词:氮化镓;氧化铟锡;退火;二极管;蓝光管

中图分类号:TN 305;TN 312.8 文献标识码:A 文章编号:1003-353X (2008)增刊-0396-03

Research on Annealing Technology for Transparent

Conductive ITO Thin Film Blue LED Chips

Shen Yan,Peng Lu,Yang Xinzhao ,Liu Chunzhi

(Shandong H uaguang Op toelectr onics Co.,L td.,J inan 250101,China)

Abstract:The effect of current cr ow ding on sapphire substrate GaN based LED is a m ajo r issue affecting diode life,mainly are current expansio n of Ni/Au or ITO lay ers.T he annealing effects of IT O conductive film on the parameter s of blue LED w er e studied through ex perim ents.It rev eals that the V f o f the IT O annealed chip is reduced mor e than 0.2V,and has higher bright ness consistency.T his prov ides a basis for impr oving the performance parameters for blue LED chips.

Key words:GaN;ITO (indium tin ox ide);annealing;diode;blue LED EEACC :2250A ;4260D

0 引 言

自从1991年Nichia 公司的Nakamur a 等人

[1]

成功地研制出掺M g 的异质结GaN 蓝光LED,GaN 基LED 得到了迅速的发展。GaN 基蓝绿LED 常用蓝宝石或SiC 作衬底,但SiC 衬底材料由于价格及热机械性能方面的影响因素[2],目前蓝宝石衬底GaN 蓝光LED 仍为主流材料。蓝宝石衬底GaN 基LED 的电流拥挤效应使器件局部区域温度升高,影响二极管的寿命,同时GaN 基蓝绿LED 还存在发出的光会被金属电极遮蔽的现象。为扩展电流,本文在LED 外延片上生长一层薄Ni/Au 或ITO 薄膜,该薄膜具有良好的导电和透

光性。

本文从GaN 基蓝光LED 电流扩展层ITO 透明导电膜入手,主要研究了ITO 膜退火对蓝光LED 管芯光电参数的影响。由管芯在IT O 退火前后结果对比,经过IT O 的退火,蓝光管芯正向电压减小,同时管芯亮度也明显提高,亮度一致性更强。在实验的基础上,针对实验结果给出了理论上的解释。这一研究对提高GaN 基蓝光管芯产品一致性有明显作用。

1 透明导电薄膜

IT O 薄膜即铟锡氧化物半导体透明导电膜,

具有很好的导电性和透明性,通常有两个性能指

396OLED 及其他

December 2008

Semiconductor T echnology Vol.33Supp lement

标:电阻率和透光率。在氧化物导电膜中,以掺Sn 的In 2O 3(ITO)膜的透过率最高,导电性能最好,而且容易在酸液中蚀刻出细微的图形。ITO 的透过率和电阻值分别由In 2O 3与Sn 2O 3的比例来控制,通常m (Sn 2O 3) m (In 2O 3)=1 9,其中透过率可达90%以上。同时,与其他透明导电薄膜相比,IT O 薄膜具有良好的化学稳定性、热稳定性以及良好的图形加工特性。1.1 ITO 生长

IT O 薄膜的制备方法有蒸发、溅射、反应离子镀、化学气相沉积、热解喷涂等[4]。用电子束蒸发方法制备IT O 导电薄膜,四探针仪在室温下测量方阻,紫外分光光度计测量光的透过率[5]。图1为ITO 膜厚(d)与460nm 光波透过率(T )之间的关系曲线。

图1 460nm 波长与膜厚关系曲线

Fig.1 Curve of 460nm wavelengt h with t he IT O f i lm thickness

由图1可知,当ITO 膜厚度为280nm 或350nm 时,电阻率和光透过率都比较理想。蓝宝石衬底上的厚度为280nm 的ITO 薄膜为例,方阻为5.297 / ,则电阻率为1.5!10-4 ?cm,460nm 处光透过率89%。1.2 ITO 退火

退火是将金属或半导体材料加热到一定温度,保持足够时间,然后以适宜速度冷却的一种热处理工艺。目的是改善材料的塑性和韧性,使化学成分均匀化,去除残余应力,得到预期的物理性能。半导体工艺中常见退火工艺,目的是金属电极更好熔合或改善半导体材料层的物理性能。1.3 实验条件

蓝光LED 管芯的ITO 退火,采用快速退火热

处理系统(RTA ),传统的扩散炉高温长时间退火工艺,会造成注入离子的严重再扩散;快速热处理工艺高温短时间退火,既能保持离子注入原有的分布,又满足LED 工艺的要求。快速退火在温度均匀性、快速加热稳定性、可靠性、可重复性等方面具有明显的优势。

在LED 制备芯片工艺中,溅射焊接金属电极前,对IT O 进行退火的实验。退火温度调节在500#,N 2氛围,实验不同时间,得到一组管芯光电参数。

2 试验结果分析

2.1 ITO 退火前后的影响

图2和图3是退火前后GaN 基蓝光LED 管芯的光电参数分布图。图中给出了ITO 退火前后的

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沈 燕 等:蓝光L ED 芯片透明导电薄膜IT O 退火工艺的研究

半导体技术第33卷增刊 2008年12月

一定压降范围内的蓝光管芯分布比例。从图中明显可以看出,IT O 的退火对于蓝光管芯的压降影响明显,退火后管芯压降要比退火前的低0.2V;而退火对于亮度的影响并不明显。2.2 ITO 退火时间的影响

IT O 退火时间对管芯光电参数的影响规律。分取4个外延质量光电性能一致的样品,分别进行ITO 不退火、IT O 退火10min 、IT O 退火15min 和IT O 退火20min 的4个实验。做出芯片后,四组管芯光电参数分布规律如图4和图5所示。

由图4可知,ITO 退火的片子要明显比ITO 不退火的片子管芯亮度提高,退火时间影响上来

看,一般退火时间要超过10min,亮度提升10~15mcd,有明显效果。图5可见退火对压降影响明显,经过退火的片子,管芯压降要比没有退火的片子管芯压降低0.4V,退火时间影响并不明显,只要经过退火,片子管芯压降普遍降低。2.3 结果分析

从上面的实验结果中明显看出,对于生长ITO 的GaN 蓝光外延片,电流扩展层ITO 经过一定温度的退火处理,有利于整个外延片电流扩展层表面接触的形成,对提高管芯有源层的出光率也有促进作用。ITO 层经过退火,增强与p GaN 表面黏附活性,同时也减小了IT O 层内部钝化因子作用,对管芯表面欧姆接触及出光具有积极作用。

3 结 论

通过对蓝光GaN 透明导电膜IT O 退火工艺实验研究,得出经过退火工艺的管芯正向压降和亮度要明显优于未退火的管芯。并通过不同退火时间实验,进一步验证了退火对于ITO 管芯产品性能的益处。参考文献:

[1] 李栓庆.GaN 基半导体激光器发展动态研究[J].半导体

情报,2000,37(3):11-17.

[2] 冯倩,郝跃,张晓菊.SiC 衬底上外延GaN:M g 材料特性

研究[J].物理学报,2004,21(2):204-209.

[3] 殷顺湖.透明导电膜研究进展[J].材料导报,1997,11

(3):35-39.

[4] 马瑾,赵俊卿.柔性衬底ITO 导电膜的低温制备及特性研

究[J].半导体光电,2000,21(1):46-49.

[5] 陶海华,姚宁.IT O 透明导电薄膜的制备及光电特性研究

[J].郑州大学学报(理学版),2003,35(4):40-43.

(收稿日期:2008 11 30)

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