（微电子学与固体电子学专业论文）ito透明电极及红光led可靠性研究.pdf

0 ； _ 静 j 7 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝垦堑日期丝堕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 繇魍颦导师躲垒辛垒垒嗍 为l s 摘要 摘要 l e d 具有长寿命、节能、安全、绿色环保等显著优点，在绿色照明领域有 着巨大的优势。l e d 器件研究中最核心的内容提高芯片的外量子效率。在影响 外量子效率提高的诸多因素中，电流扩展是很重要的因素。传统的g a p 电流扩 展层存在成本过高、外延质量差的缺点。由于i t o 的高透过率和低电阻率，用 i t o 透明导电膜作为电流扩展层的技术较好的解决了这一问题，降低了扩展层 的厚度，并降低了芯片的成本。 本论文在国家8 6 3 项目( n o2 0 0 9 a a 0 3 a l a 3 ，n 0 2 0 0 8 a a 0 3 a 1 9 2 ) 、国家 科技重大专项项目( 2 0 0 8 z x l 0 0 0 1 0 1 4 ) ，科技部技术创新基金项目( n o ： 0 9 c 2 6 2 2 1 1 0 0 1 3 8 ) 等项目的支持下，针对i t o 在红光l e d 中的应用，着重研 究了l e d 制备工艺过程中快速热退火对i t o ，i t o g a p 接触及整个基于i t o 的 红光l e d 特性的影响，同时对这种红光l e d 器件可靠性进行了研究。主要研 究内容如下： 1 ) 利用范得堡法研究快速热退火对i t o 光电性能的影响。利用h 2 l 1 l 测试 对经过不同退火条件下i t o 的电学特性进行研究，发现i t o 载流子浓度在4 3 5 时达到最大，4 2 x 1 0 2 1 c m 弓，而且电阻率也是最低。载流子浓度和迁移率呈现 的都是先上升后下降。同时分析了如果i t o 做为l e d 的电流扩展层，4 3 5 退 火的i t o 电阻最小而最有利于电流扩展，从而能提高l e d 光电特性。 2 ) 利用开尔文法研究快速热退火对i t o g a p 欧姆接触特性的影响。通过 研究发现经过不同温度的快速热退火后，所有实验样品接触特性都是欧姆接触。 而在n 2 环境，4 3 5 条件下快速热退火4 0 s ，i t 0 g a p 的欧姆接触最好， 4 3 1 0 刁q c m 2 。通过h a u 测试和俄偈电子能谱测试结果，得出i t o g a p 欧姆接 触特性随退火变化的原因主要是i t 0 载流子浓度变化和i t o 与g a p 之间元素 的相互扩散从而形成复杂的界面层。 3 ) 制备了用3 0 0 n mi t 0 做为电流扩展层的a l g a i n p 红光l e d ，研究了快 速热退火对a l g a i n p 红光l e d 光电性能的影响。随着退火温度的升高，l e d 的光强是先增加后下降而电压是先下降后上升。总结出对于具有i t o 的 a l g a i n p 红光l e d 的最佳退火温度是4 3 5 。通过前面的研究得出i t 0 电学性 能随退火温度的变化是影响a 1 g a i n p 红光l e d 随退火温度变化的主要原因。 4 ) 研究了i t o 对舢g a i l l p 红光l e d 的可靠性影t 响。g a i n p 红光l e d 具 有高靠性，但在大电流的做用下，其电压会急剧升高，这是由于i t o 的退化造 成的。而i t o 与g a p 的热膨胀系数不一致造成l e d 的最终完全失效。但是如 北京工业大学工学硕士学位论文 把芯片利用环氧树脂封装，则a l g a i n p 红光l e d 退化主要是由于环氧树脂的退 化引起。对a l g a i n p 红光l e d 进行湿度实验，发现水对i t o 有腐蚀作用，但 高温高湿的环境下，这种腐蚀很慢，因而芯片在常规条件下能较长时间存储。 通过对封装好的l e d 寿命进行评估，推出2 0n 认，室温2 5 时l e d 平均寿 命为1 0 2 0 3 万小时。 关键词：氧化铟锡( i t o ) ；欧姆接触：l e d ；可靠性 i i a b s t r a c t a b s t r a c t l l i 曲t 一锄i t t 吨d i o d e s ( l e d s ) h a sm e 肿a ta d v a n 魄e si ng r e e nl i 出s o u r c e w i t hm eo u t s t m l d i i l g p e r f i o m l a i l c e o fl l i 曲l 吼i n o u s e 伍c i e n c y ， l o w p o 、e r c o i l s u l n p t i o i l ，e i i r o 衄e n t 衔e i l d l y ，s 0 1 i d ，l o i 培l i f e t i m ee t c t h em a h lr e s e a r c ht o p i c r e c e n n y i sh o wt o i n l p r o v e t h ee x t e m a l q w m t u me m c i e n c y o fl e d c 峨n t s p r e a d i i l gl a y e ri si m p o r t a l l _ ti i lm 趴yf a c t o r sa f r e c t i i l gt l l ee x t e m a lq 啪t u m e 伍c i e n c yo fl e d t l l i c kg a pl a y e ri su s e d 硒t h ec 唧n t - s p r e a d i n gl a y e ro fm o s t c o m m e r c i a ll e d b u tb e c a u s em em i c kg a pl a y e ri sd i 伍c u l tt oc o n t r o lm ee p i l a y e r q u a l i t ya 1 1 di se x p e l l s i v e ，t h e ni n d i 啪t i no x i d e ( i t o ) l a y e rw i ml l i 曲c o n d u c t a n c e a n ds u p e r i o rt r a n 印a r e n c y ( 9 0 ) w 2 l si n t r o d u c e dt oe r d l a u l c e l ec 唧n ts p r e a d i n gi n a l g a i i 巾- b a s e dl e d si 1 1 s t e a do fm et h i c kg a p t h e r e f o r e ，t 1 1 et 1 1 i c k n e s so ft h c w i n d o wl a y e ri nt l ：呛舢g a i l l pl e d sc o u l db ee f f e c t i v e l yd e c r e 2 l s e db ym ei 1 1 s e r r t i o n o f t l l ei t ot h i nf i l m t 1 1 i st h e s i s ，w 1 1 i c hi ss u p p o r t e db y8 6 3p r o g r a m( n o ：2 0 0 9 a a 0 3 a l a 3 ，n o ： 2 0 0 8 a a 0 3 a 19 2 ) 、i i i l p o r t 觚tn a t i o n a ls c i e n c e & t e c l u l o l o g ys p e c i f i cp r o j e c t s ( n o ： 2 0 0 8 z x1o o o1 一ol4 ) a n di n n o v a t i o nf u n d 矗) rt e c l l l l 0 1 0 9 yb a s e df i 珊s ( n o ： 0 9 c 2 6 2 21 10 0138 ) ，i m r o d u c e st l l ec h a r a c t e r sa i l dp r 印a r a t i o nt e c l l i l o l o g yo fi t o ； i ti n v e s t i g a t e st h em e 肌a l 蹦l e a l i n ge f f e c t so ni t o ，i t o g a pc o n t a c ta 1 1 dl e dw i 也 i t o a n dm er e l i a b i l i t yo ft h en o v e lr e dl e di sa l s or e s e a r c h e di i l “sp a p e r n e m a i nr e s u l t s2 l sf o l l o 、i n g ： 1 ) 1 1 1 em e 肌a l 锄l e a l i n ge f f e c t so ni t oh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d b ym e a n so fv 锄 d e rp a u wm e m o d t h er e s u l tf 硒mh a ut e s to fi t of i l ms l l o w e dt t l a tm ec a r r i e r c o n c e n t r a t i o ni st 1 1 e1 1 i 曲e s t 4 2 l0 2 1 咖，a n dt 1 1 er e s i s t i v i t ) ri st 1 1 el o w e s tw h e ni t o a 肌e a l e da tar t as y s t e ma t4 3 5 t l l ec a r r i e r sa n dm o b i l i 够o fi t of i r s t l y d e c r e a s ea i l dt 1 1 e ni n c r e a s e 嬲t 1 1 er t at e m p e r a t i l r ci n c r e a s i i l g t h ee f f e c to fu s i n g i t oa s c u r r e n t s p r e a d i n gl a y e r i sr e s e a r c h e d 锄e a l e da tar t as y s t e ma t 4 3 5 ，i t oh a v em eb e s tc 1 盯e n t s p r e a d i n ge 疵c tf o r 血el o w c s tr e s _ i s t i v 时s o o p t i c a la i l de l e c t r i c a lp r o p e n i e so fl e d 澌t l l 盯oc a n b ei i i l p r o v c d 2 ) t l l et h e 珊a l 锄1 e a l i n ge 腩c t so ni t 0 g a pc o n t a c th a v eb e e nm e s t i g a t e db y m e a l l so fk e l v i e nm e m o d t h ec o n t a c tc h a i a c t e r i s t i c so fa l ls 锄p l e sa r eo i c c o n t a c ta 缸e rd i 伍：r e mt e m p e 均n l r e s 砌e a l i n g u n d e r4 3 5 ，r 印i dt l l e 肌a 1 锄n e a l i n g ( r t a ) f o r4 0 si nn 2 锄b i e m ， t h ei t oc o n t a c t sr e s i s t a l l c e i st h e u i 北京工业大学工学硕士学位论文 m i n i m i z e s ，4 3 l0 。j q c m 2 t h er e s u l t sf - r o mh a l lt e s ta n dt h ea u g e rs p e c t r aa n a l y s i s i n d i c a t em a tt h em a mr e a s o n sf o rm ec h a n g eo ft h ec o n t a c tr e s i s t a j l c ea r et h e d i f f e r e n c ei i lt h ec o n c e n t r a t i o no fc a r r i e r sa 1 1 dt h ed i f m s i o no fi i l ，g a ，0a 1 1 d 龇 c o m p l e xi m e r f ：k el a y e r 3 ) a 触g a i n pl i g h t e m i t t i n g d i o d e ( l e d ) w i t ha3 0 0 衄t h i c k n e s st r a i l s p a r e n t c o n d u c t i n g 砒i 啪t i no x i d cf i l l i l a sw i n d o wl a y e ri sf i a 嘶c a t e d t h e 此n n a l 锄e a l i n ge f f e c t so np r o p r i e t i e so fl e dh a v eb e e ni n v e s t i g a t e da sr t at e m p e 劬鹏 i n c r e a s i n g ，t h cl u m i n o u si m e n s i t ) ri si n c r e a s e da tt h eb e g i n l l i n ga j l dt h e nd e c r e a s e d w 1 1 i l et 1 1 ev o l t a g ei sf i r s td e c r e a s e da n dt l l e ni n c r e a s e d i ti sg o tt l l a tt h eo p t i m a j 锄1 e a l i n gt e m p e r a t u r ei s4 3 5 f o rt 1 1 ea l g a i r 巾r e dl e dw i t l li t o i tc o u l db e c o n c l u d e dt h a tt h ec h a n g eo fp e r f o m a n c eo fl e da sr t a t e m p e r a t u r ei sb e c a u s e t h ec h a l l g et h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r so fi t oa s 肌t e m p e r a t u r e 4 ) 1 1 1 ee f f e c to fi t 0o nm er e l i a b i l i t yo fa l g a i n pl i 咖e m i t t i n gd i o d e sh a sb e e n i n v e s t i g a t e d n l ea 1 g a i n pl i g h te m i t t i n gd i o d e sh a v em g hr e l i a b i l i t ) r ，b u tt h ev o l t a g e o fm el e d 、i ma ni t of i l m 硫r e a s e dd u r i n ga1 1 i 曲c u 玎e n ts t r e s s i n g 1 1 1 e 血r e a s e o ff o n j 聊d v o l t a g e r e s u l t s 丘o mt 1 1 e d e g r a d a t i o no fi t of i l m m o r e o v e rt h e d i f f e r e n c eb e 铆e e nt h et h e m a le x p a j l s i o nc o e 伍c i e n to fg a pa 1 1 di t or e s u l ti l lt h e i i l v a l i d a t i o no fl e dc h i p b u tm ed e 笋a d a t i o no ft 1 1 el e d 、i t l l 印o x yr e s i n p a c k a g e di sd u et ot h ed e g r a d a t i o no fm e 印o x yr e s 证。b yt t l ew a y m ei r l n u e n c eo f h u m i d i t ) ro na l g a i i 巾r e dl e d sh a sb e e ns t u d i e d i ti sf o u n dt h a tw a t e rc a l le t c hi t 0 i nm g ht e m p e r a t u r e - h u i i l i d i t ) ，锄b i e n t ，h o 、) v e v e r ，t h er a t eo fe t c l l i n gi ss l o w l y ，s ot l l e l e d c 1 1 i p 、) ，i t l li t o c a l lb es a v e df o ral o n gt i m e t h el i f ct i m eo fr e dl e d s 丽t 1 1 e p o x yr e s i np a c k a g e di st e s t e d ni sp r e d i c t e dt h a ti n2 5 锄b i e n t ，u n d e r2 0 m a o p e r a t i o nc u 玳n t ，t h el i f e t i n l eo fl e d sw i t h 印o x yr e s i np a c k a g e di s1 0 2 0 3 1 0 ( h ) k e ”旧r d ：m i u mt i i lo x i d e ( i t o ) ；o h m i cc o n t a c tr e s i s t a n c e ；l e d ；r e l i a b i l i 够 l v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第2 章 2 1 2 2 2 5 第3 章 3 1 绪论1 发光二极管简介1 砧g a j l l p 发光二极管的发展历程1 灿g a i i 一发光二极管的应用2 高亮度a 1 g a i i l p 发光二极管的关键技术问题。3 本论文的研究内容4 利用i t o 改善l e d 特性的理论研究5 i t o 透明导电薄膜的结构与特性5 2 1 1i t o 薄膜的结构5 2 1 2i t o 薄膜基本特性6 i t 0 透明导电薄膜的光电性能6 2 2 1i t o 薄膜的电学性能6 2 2 2i t o 薄膜的光学性能8 i t o 透明导电薄膜的制备方法1 0 2 3 1 磁控溅射法1o 2 3 2 喷雾热解法。1 1 2 3 3 真空蒸发法一1 1 2 3 4 化学气相沉积法。1 2 i t o 透明导电薄膜的在l e d 中的应用1 2 2 4 1i t o 在红光l e d 中的应用1 2 2 4 2i t 0 在蓝光l e d 中的应用1 3 本章小节1 3 基于h a l l 效应的i t o 电学特性研究1 5 h a l l 效应15 3 1 1h a l l 效应基本原理。1 5 3 1 2 范德堡方法原理1 7 霍尔效应测试仪18 3 2 1 仪器介绍1 8 3 2 2 测量半导体样品的测试步骤1 9 v 北京工业大学工学硕士学位论文 3 3 3 4 3 5 3 6 第4 章 4 1 4 2 4 4 4 5 第5 章 5 1 5 2 5 4 5 5 5 6 实验样品的制备2 0 退火对i t o 电学特性的影响2 l 退火对i t o 做红光l e d 电流扩展层的影响。2 2 本章小节。2 4 i t o 在红光l e d 中的接触特性研究2 5 1 1 o 与半导体的接触特性2 5 4 1 1i t o 与g a a s 接触特性2 5 4 1 2i t o 与g a n 接触特性2 7 4 1 - 3i t o 与g a p 接触特性3 0 欧姆接触测试方法介绍3 2 4 2 1 传输线法3 2 4 2 2 环形传输线法3 5 4 2 3开尔文测试方法3 9 快速热退火对i t o g a p 接触特性影响4 0 4 3 1实验样品的制备。4 0 4 3 2 测试结果及其分析4 0 快速热退火对具有1 1 o 的红光l e d 特性的影响4 2 4 4 1具有i t o 的a l g a j n p 红光l e d 的制备4 2 4 4 2 不同退火温度对l e d 光电性能的影响4 3 本章小节4 4 a l g a i i l p 红光l e d 的可靠性研究4 5 可靠性概述4 5 5 1 1 可靠性定义。4 5 5 1 2 可靠性试验。4 6 加速寿命试验4 7 5 2 1 加速寿命试验的意义4 8 5 2 2 加速寿命试验的理论依据4 9 大电流对红光l e d 可靠性的影响5 0 5 3 1 实验过程及结果5 0 5 3 2 失效机理分析5l 湿度对红光l e d 可靠性的影响5 2 5 4 1 实验过程及结果5 2 5 4 2 失效机理分析。5 4 红光l e d 的寿命研究。：5 5 本章小结5 6 v i 结 参 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 3 致谢6 5 v i i 北京工业大学t 学硕士学位论文 v i i i 第1 章绪论 1 1 发光二极管简介 第1 章绪论 l e d 是半导体发光二极管( l i g h te i i l i t t i n gd i o d e ) 的简称，它是电能转化为光 能的电致发光器件。由于l e d 光源能较好地反映照射物体的真实颜色，并具有 发光效率高、节能、使用寿命长、安全环保等特点，所以l e d 应用于照明是极 有潜力的【l 捌。上世纪以来，a l g a i n p 材料的发展及以g a n 材料为代表的第三代 半导体材料的出现，使实现白光l e d 照明成为可能。随着白光l e d 的研制成 功，半导体发光二极管被认为是2 1 世纪的新光源。l e d 照明代替传统照明成 为人类照明的主要方式，是大势所趋。 由于白光l e d 的众多优点，现在l e d 开始逐步进入千家万户，遍及国民 经济各部门，特别广泛用于指示灯、显示屏等应用领域。最近十年，l e d 的发 展极为迅速，其品种之多，产量之大，用途之广是其它发光显示器件难以相比 的。l e d 无论是产量，还是产值在半导体光电器件中均居绝对优势，远大于其 它半导体光电器件之总和睇j 。 ， 目前在可见光范围的光电半导体材料中，以a l g a i n p 的红黄光材料以及 i n g a n 的蓝绿光材料处于主导地位。a l g a i l l p 材料的发展历史已经有二十多年 了，相对于1 1 1 g a n 来说，对a l g a i n p 材料的研究要成熟许多。而a l g a i n p 材料 由于不仅具有很宽的直接带隙，而且能与导电衬底g a a s 形成良好的晶格匹配， 逐渐取代了最早的i i l g a a s p 和a l g a a s 材料，成为现如今红黄光波段半导体发 光材料研究的主流。 1 2a 1 g a i n p 发光二极管的发展历程 1 9 9 0 年之前，半导体发光材料的研究重点是a l g a a s 材料，而由于a l g a a s 材料的特性，其发光波长最短只能到6 8 0 m n 左右【3 】，出于对更短波长光源的迫 切需要，使得人们纷纷把注意力转向有更大带隙的a l g a i i l p 材料上去。 灿g a i i l p 材料有可以良好导电且晶格匹配的衬底一g a a s 可供使用。而在生 长方面，a l g “n p 材料使用金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 的生长方法 来代替传统的液相外延( l p e ，l i q u i dp h 船ee p i t a x y ) 方法。m o c v d 方法的优 点是可以选择多种金属有机物作为源材料，因此具有生长多种化合物半导体的 灵活性。m o c v d 不仅能制备高纯材料，还能对生长的极薄材料的厚度、组分 北京下业大学工学硕士学位论文 和界面进行精确的控制，其可重复大面积生长均匀层的能力使其在工业生产中 能有更广泛的应用。 最先使用舢g a i n p 材料的是t s u z u l d 等人【4 】，他们在1 9 8 2 年时研制了 a l g a i i l p 双异质结构的激光器，他们发现a l o 5 1 1 1 0 5 p g a 0 5 1 1 1 0 5 p a l o 5 i i l o 5 p 双异质 结构的光荧光强度是单层g a o 5 i i l o 5 p 的十倍。1 9 9 1 年，美国唧公司的c 幽r d 等人和日本东芝公司研制成功了a l g a i l l p 发光二极管，并于1 9 9 4 年采用低压 金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 技术改进成功，通常采用g a a s 作衬底。 其后c 幽r d 等人又开发了g a p 透明衬底技术，将红色和黄色双异质结材料制 成l e d ，其发光效率提高到2 0 l i l l w ，这就使l e d 的发光效率超过了白炽灯的 1 5 l m 脚，后又提高到4 0 一5 0 ，近几年由于采用多量子阱结构，红光l e d 发光效率能达到7 3 7 l 删w 。而采用截头锥体倒装结构技术，红光l e d 发光效 率能达到1 0 2l 州w ，外量子效率提高了5 7 倍【引。 目前的超高亮度发光二极管性能水平列于表1 1 中，表中d h 为双异质结， t s 为透明衬底，m q w 为多量子阱巧1 。 表1 1 超高亮发光二极管目前的性能水平 t a b l e1 1p e 响册a n c eo f t h ep r e s e n th i g hb r i 曲tl e d 材料颜色峰值波长结构外量子效率照明效率 h m h d l n a 1 g a a s红6 5 0d h84 红6 5 0d h t s1 68 a l g a i n p红6 3 6d h t s2 43 5 5 红 6 3 2 m q w 玎s 3 27 3 7 橙红 6 2 0 d h 62 0 1 3a l g a i i l p 发光二极管的应用 a l g a i n p 发光二极管特别是高亮度l e d 在国民经济中有很多应用，例如： 大屏幕显示、显示器背光源、交通信号系统及汽车工业等。 由于高亮度l e d 具有亮度高、功耗低、寿命长、不必经常维修和可经受较 强的机械冲击和震动等优点，且寿命比白炽灯高好几个量级，高于汽车本身的 使用寿命，而且l e d 的响应时间短，有利于提高行车的安全，所以在汽车工业 首先被广泛应用。主要包括汽车尾灯和交通信号灯，而飞机的警示灯，导航灯 2 第1 章绪论 等等在不久的将来估计也会采用高亮度l e d 。 红、绿、蓝高亮度发光二极管还可以作为三基色，组成户外大型的全彩l e d 显示屏。在汽车站、火车站、机场、体育场馆、商业广告、邮电、金融证券等 各个领域应用前景看好，这也是由于高亮度l e d 的亮度高，功耗低并且使用寿 命很长。 近年来，彩色液晶显示器已逐步取代c r t 显示器，而由于高亮度l e d 具 有上述的独特优点，并且具有很高的性能价格比，使得它成为液晶显示背光源 的有力竞争者。 除了以上的应用，近年来，随着半导体器件制各技术不断发展，白光l e d 的发光强度不断提高，有的高亮度l e d 的流明效率甚至超过带滤波片的白炽 灯，高亮度l e d 可以取代1 w 以内的自炽灯，高亮度l e d 阵列可以取代功率 1 5 0 w 以内的白炽灯。白光l e d 完全应用于照明也是可以预见的，白光是一种 多颜色混合光，如蓝光加黄光可得二波长白光：蓝、绿、红光混合可得三波长 白光。目前研制白光二极管主要有三种方法： ( a ) 使用发红、蓝、绿光三种l e d 芯片，通过调整三种l e d 的电流来产生 白光。 m ) 使用发黄、蓝光两颗l e d 芯片，调整通过两种l e d 的电流来产生白光。 ( c ) 以g h i n n 材料的l e d 芯片产生的蓝光为基础，激发黄色无机荧光粉或 黄色有机荧光染料，来产生白光。 因此，灿g a i i l p 发光二极管与蓝绿光l e d 是白光l e d 的重要组成部分， 这也是它的重要应用之一。 1 4 高亮度a l g a i n p 发光二极管的关键技术问题 要想让a l g a b ：l p 发光二极管的应用前景更广阔，就必须提高其发光效率以 及亮度，而通常制造良好的舢g a h ：l pl e d 内量子效率都很高，外量子效率却往 往只有百分之几。为了提高a l g a i n p 发光二极管的发光效率，制成所谓的高亮 度l e d ( h b l e d ) ，就必须想办法大幅提高l e d 的外量子效率。造成外量子 效率低的主要原因有三个：电流扩展不均匀、材料本身对光的吸收和全反射临 界角损失。 基于以上的三种光损失的原因，以下是通常用以改善l e d 外量子效率所采 用的三个方法： 1 为了避免电流扩展不均匀所产生的光损失，目前的解决方法有：a 要有 厚的窗口层以增加电流分布并使光容易传到器件外，或者采用透明电极( i t o ) 以增加电流分布。b 采用电流阻挡层结构。 2 为了减少材料本身对光的吸收，可以采取光透明材料做衬底( 如g a p ) ， 北京工业大学t 学硕+ 学位论文 或者在有源区下面制备布拉格反射器( d b r ) 。 3 为了减少全反射临界角损失，使更多的光射出，一般设计发光器件的表 面为特殊的几何形状，如锥形，这样可以达到较大的光提取效率。 1 5 本论文的研究内容 尽管对舢g a i n p 发光二极管的研究已经相对比较成熟，其内量子效率已经 可以达到9 5 以上。但是还是有许多问题有待进一步研究探索。g a a s 衬底对 发射光的吸收导致光提取效率受到限制，如果采用g a p 透明衬底技术则要考虑 到成本问题。而综合考虑器件发光效率和生产成本，就必须将电流扩展层的厚 度控制在合理的范围内。 为了解决器件窗口层电流扩展的问题，最早是用半透明的a u n i 电极作扩 展层，但透光率太低( 仅有6 5 ) 。后来利用g a p 作为电流扩展层，但g a p 要 达到好的电流扩展效果，其厚度至少要大于7 “m ，而器件的其它部分大约只 有3 p m 。利用m o c v d 制作如此厚的电流扩展窗口层不但技术上难以实现， 而且即使生产出来，费用也相当昂贵。如何找到一种方法既降低电流扩展窗口 层的厚度，又实现电流扩展和窗口层的作用，成为关键性的问题。而i t o 透 明导电膜的出现，较好的解决了此问题。用i t o 作为a l g a i n p 红光l e d 的增 透窗口层和电流扩展层，用i t o + 薄的g a p 来取代传统8 啪g a p 的电极结构， 即能提高l e d 亮度，又能降低成本。虽然已经知道利用i t o 能很好的提高l e d 的光学性能，但是i t o 与p 型半导体的接触特性并不理想，这极大的限制了i t o 在l e d 中的应用。 本论文综述了i t o 在l e d 中的应用和研究情况，对i t o 的导电特性及i t o 与半导体的接触特性进行研究，从而优化器件的工艺条件，同时对应用了i t o 的红光l e d 的可靠性进行研究，分析出l e d 失效的机理及i t o 对l e d 可靠性 的主要影响。论文主要工作如下： 1 ) 介绍了i t o 的结构及其光电特性，并且总结了i t o 的制备方法，同时 对i t 0 在l e d 中的应用现状进行描述。 2 ) 利用电子束蒸发技术制备i t 0 ，利用范德堡法对i t o 的电学特性进行 测量，得出i t o 电学特性随着退火温度的变化，并分析了变化原因。 3 ) 介绍了测量欧姆接触的几种方法，并且通过其中的传输线法对g a p i t o 的接触特性进行研究，得出最优的退火条件，并且分析出原因。 4 ) 根据上面的研究，制备出具有i t o 的高亮度红光l e d ，对其进行大电 流的应力可靠性实验。同时对比了不同芯片尺寸，不同封装结构，不同湿度， 不同电流下l e d 的老化特性，总结分析具有i t 0 的l e d 退化的原因。 4 第2 章利用i t 0 改善l e d 特性的理论研究 第2 章利用i t o 改善l e d 特性的理论研究 2 1i t o 透明导电薄膜的结构与特性 2 1 1i t o 薄膜的结构 s l l i g e s a t o 等用扫描电镜( s m ) 、透射电镜( t e m ) 和平面图像高分辨电镜 ( h i 玎e m ) 研究了各种技术条件下生长的i t o 薄膜的微结构，发现i t o 薄膜具复 杂的立方体锰矿型结构，即立方i n 2 0 3 结构， 1 1 1 】方向是大多数多晶体的明显 取向，组成多晶体的大晶粒中含有亚晶粒区，这些亚晶粒区并非明显的晶粒， 而是小角间界或相畴间界。且这种亚晶粒区的存在并不影响材料的电学性能 6 7 】 o 圃圃 j o 图2 1i n 2 0 3 的晶体结构a 位离子b 位离子c 位离 f i 醇- lc r y s t a ls 饥l c t u r eo fi n 2 0 3 i n 2 0 3 的结晶态具有体心立方铁锰矿结构( a _ 0 1 0 1 1 8 衄) ，如图2 1 所示。每 个惯用元胞的3 2 个氧离子完全按尖晶石结构排列成立方密堆积，组成氧离子的 面心立方子格子。在氧离子的面心立方子格子中，有氧四面体间隙位置( 称为a 位) 和氧八面体间隙位置( 称为b 位) 。而6 4 3 个( 平均) 铟离子无规则地分布在a 间隙和b 间隙位置，每个惯用元胞平均有8 3 个阳离子空位。氧离子对氧离子 的立方密堆积配位数为1 2 ，铟离子对铟离子的a 位配位数为4 ，而b 位配位数 为8 。如果把一个惯用元胞分成八个部分，取a 类的占四个部分，取b 类的也 占四个部分。因为每个惯用元胞含8 8 = 1 个顶点铟离子，6 2 = 3 个面心锢离子， 4 个a 位铟离子，剩下有4 0 3b 位铟离子，平均每个部分占有1 0 3 个a 位，所 以锢离子对铟离子的平均配位数为1 6 3 。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 1 2i t 0 薄膜基本特性 i t o 薄膜是一种重掺杂、高简并n 型半导体陶瓷氧化物薄膜。商业用i t o 薄膜电阻率范围：1 4 x 1 0 叫q c m ，对可见光的透过率 8 5 ，对红外光的反射率 7 0 ，对紫外光的吸收率芝8 5 ，对微波的衰减率芝8 5 【8 j 。高的可见光透过率 与相当低的电阻率结合在一起，使i t o 薄膜成为典型的透明导电材料。另外， i t o 薄膜加工性能极好，硬度高且耐磨耐蚀，膜层非常坚硬稳定，唯独耐酸性 差，但这又恰好给加工微细图形带来方便。 2 2i t o 透明导电薄膜的光电性能 i t 0 薄膜是一种即透明又导电的半导体材料。电导率和可见光光区的透光 率是描述i t 0 薄膜光电性能的两个重要指标。因此，众多学者都从半导体物理 学出发，来研究i t o 薄膜的制备工艺参数对i t o 薄膜性能的影响。 2 2 1 i t o 薄膜的电学性能 电导率是衡量i t 0 薄膜电学性能的一个重要指标。而电导率主要取决于薄 膜的载流子浓度和载流子迁移率。因此，可以从i t 0 薄膜的载流子浓度和迁移 率这两方面来分析i t o 薄膜的电学性能。 1 ) 载流子浓度 i t o 薄膜是锡掺杂的锢锡氧化物薄膜，其禁带宽度接近4 e v ，其导电粒子 主要是依靠附加能级上的电子和空穴的激发。少量s n 0 2 掺入到i n 2 0 3 中后，因 为i n 3 + 是三价的，四价的s n 4 + 取代i n 3 + 后就形成替位离子1 1 1 s 。，即产生一个正 电中心，释放处于弱束缚的一个电子而参与导电，实现掺杂半导化。而实际上， i t o 薄膜中的的实际载流子浓度远低于理论计算的浓度，并不是所有的掺杂离 子都对载流子有贡献，即只有一部分掺杂离子具有电活性。有人认为i t 0 晶格 中的掺杂离子s n 4 十对氧离子有吸引力，可以将多余的氧离子束缚在它附近的晶 格缺陷处，形成电中性复合离子，而使掺杂失去贡献【9 】。 因此，通过对i t o 薄膜进行后续的热处理，一方面可以使晶格中被掺杂离 子s n 4 + 束缚在它附近的晶格间隙处的氧离子分解而使掺杂离子被激活。另一方 面可以使其部分0 2 。脱离原晶格，形成氧空位，并在原晶格处留下两个弱束缚的 电子，从而实现组分缺陷半导化。因此i i l s n 和v 0 ”都可以提供电子改变i n 2 0 3 中的自由载子浓度，使得掺杂后i t o 的导电性得到改善。 2 ) 载流子迁移率 6 第2 章利用i t o 改善l e d 特性的理论研究 在理想晶体中，自由电子在周期性势场中运动，不存在产生阻力的微观结 构。但在实际的材料中，晶体中的杂质、缺陷、晶界等结构上的不完整性以及 晶体原子由于热振动而离开平衡位置等原因都会导致偏离周期性势场。这种偏 离使电子波遭受散射，限制了载流子的迁移。在i t o 薄膜中同时存在多种载流 子散射机制，其中对载流子迁移率可能有影响主要有电离杂质散射、晶格振动 散射、晶界散射和中性杂