ITO表面粗化提高GaN基LED芯片出光效率

1、 ito表面粗化提高gan基led芯片出光效率 摘要：随着高亮度gan基led在照明领域的广泛应用，提高led芯片的发光效率成为一个重要的研究课题。led芯片有源层产生的光从半导体材料向外出射时，受全反射效应的限制，只有少部分光能够辐射到自由空间。大部分光经过多次全反射后被半导体材料、有源层和金属电极吸收并转化成热量，严重影响芯片的出光效率。一种有效的方法是在芯片表面制造微结构，增加半导体材料与封装材料之间的界面发出光的角度的随机性，降低光全反射的概率，从而提高光输出的效率。关键词：led；ito；表面粗化；出光效率利用成熟的低成本技术，在现有的生产线上实现ito粗化，提高gan基led蓝筹的

2、发光效率，是业界重要的研究课题。通过普通光刻技术和湿法腐蚀技术，实现ito表面粗化，有效地提高了led芯片的输出光功率。输入电流为20 ma时，ito层制备密集分布的三角周期圆孔阵列后，芯片输出光功率提升11.4，但正向电压升高0.178 v；微结构优化设计后，芯片输出光功率提升8.2，正向电压仅升高0.044 v。小电流注入时，密集分布的三角周期圆孔阵列有利于获得较高的输出光功率。大电流注入时，这种结构将导致电流拥挤，芯片的电光转化效率衰减严重。1 概述对于传统正装gan基led芯片而言，p-gan的粗化通常采用感应耦合等离子(icp)刻蚀。由于p-gan层一般仅300m左右，icp刻蚀容易

3、产生等离子损伤。目前唯一可以在室温下对p-gan进行湿法蚀刻的技术是光辅助电化学(pec)腐蚀，但是pec要求制备电极，对大批量生产不利。由于p-gan的掺杂浓度较低，电阻值较大，通常在p-gan表面沉积一层氧化铟锡(ito)薄膜作为电流扩展层。因此，目前对传统正装gan基led芯片表面粗化的研究主要集中在ito粗化上。当光波长与微结构的尺寸在同一数量级时。微结构对出光效率的提升最为显著。ito的折射率约为2，蓝光led的主波长典型值为460 nm，则ito中主波长的光学长度约为230 rim。为在ito上实现230 nm级别的粗化在ito上旋涂聚苯乙烯纳米球悬浮液。采用旋涂ni纳米粒子分散液

4、技术采用氩离子激光全息光刻技术，采用纳米压印技术。但是，这些技术在产业界都尚未成熟。另外，由于良好的可控性和大面积的均匀性大部分研究都使用icp干法刻蚀技术将掩模图案转移到ito实现粗化。如何使用gan基led蓝光芯片现有生产线上成熟且低成本的技术实现ito粗化以提高芯片出光效率是产业界重要的研究课题。2 图形化结构设计与器件制作实验选取3片相同条件下生长的外延片，在gan基蓝宝石衬底led芯片生产线上分别制作3组样品。制备流程的区别仅在于ito表面粗化时分别使用如图1所示的3块光刻掩模版，其他工艺完全相同。图1(a)是典型的用于蓝光led芯片(10 mil x 23 mil)ito层蚀刻的光

5、刻掩模版，表面没有微结构。图1(b)是在ito层制作密集分布的三角周期圆孔阵列的光刻掩模版，圆孔直径3m，圆心间距6m。由于圆孔在整个ito表面密集分布，导致ito的有效面积减少，从而会影响电流扩散，恶化芯片的电学性能。因此，根据实际芯片结构。综合考虑ito对电流的扩散作用和材料对光子的吸收，优化设计如图1(e)所示的表面微结构。表面图案主要由大、小两种圆孔组成：小圆孔直径4m，圆心间距10m，呈三角周期排列；大圆孔直径20m，分散在小圆孔阵列之中。图1用ito表面粗化的3块此刻掩模板(a)普通平面结构；(b)密集分布的三角周期圆孔阵列结构；(c)优化设计的表面微结构与图1(b)中的圆孔相比，

6、图l(c)中圆孔直径较大，主要是考虑提高ito层的透光率；而圆心间距较大，主要是考虑提高ito的有效面积，增强电流扩散效应；在p电极附近区域，只去除焊盘下方的ito以增强金属电极与p-gan的黏附性，而保留其他部分以增强电流的扩散效应。选取的外延片结构自下而上分别为：蓝宝石衬底、厚度为30 nm的gan缓冲层、23m的非故意掺杂gan层、24m的si掺杂n型gan层、18个周期25 nm125 nm的多量子阱有源层、30 nm的p型a1gan电子阻挡层和300 nm的mg掺杂p型gan层。芯片制备过程如下：首先采用icp刻蚀出n型台面结构，通过pecvd沉积厚度为210 nm的sio作为电流阻

7、挡层；接着电子束蒸镀厚度为230 nm的ito作为透明导电层，分别应用如图1所示的3块光刻掩模板，通过普通光刻技术和ito蚀刻液湿法腐蚀出相应结构，并在氮气环境、520条件下退火25 min；然后电子束蒸镀crptau金属薄膜并结合剥离技术制备p电极和n电极；随后沉积70 nm的sio：作为钝化层：对蓝宝石衬底研磨抛光后，经切割、裂片工艺制备成单颗芯片。采用3块光刻掩模版制备的3组样品分别命名为样品a、样品b和样品c。样品a是ito无粗化的普通芯片。样品b是在ito层制作密集分布的三角周期圆孔阵列的芯片，圆孔直径约38m。样品c是在ito层制作优化设计的微结构阵列的芯片，其中大圆孔直径约21m

8、，小圆孔直径约5m。与图1(b)和(c)所示的光刻掩模版相比。实际制备得到的圆孔尺寸略有增加，这是因为湿法腐蚀时间过长导致的。3 器件测试结果采用配有半积分球的全自动晶圆点测机(型号leda一8f p7202)对上述3组样品的光学参数和电学参数进行测试。在输入电流相同的情况下，相比ito无粗化的样品a，具有ito表面微结构的样品b与样品c的输出光功率都有所提升。这说明ito表面微结构能有效地提高led芯片的输出光功率，其原因是表面微结构可减少ito与空气分界面、p-gan材料与ito分界面光线发生全反射的几率。值得注意的是，输入电流较小时。样品b的输出光功率较大；输入电流较大时，样品c的输出光

9、功率较大。另一方面，在输入电流相同的情况下，相比样品a，样品b与样品c的正向电压都有所升高而且样品b正向电压升高的幅度较大。这说明在ito层制备微结构，减小ito的有效面积，将增大芯片的串联电阻，恶化芯片的电学性能。优化设计后的样品c具有更优的电流扩散能力，ito粗化引起的电压上升的幅度也较小。输入电流为20 ma时3组样品的正向电压、输出光功率p。和主波长a。相比样品a样品b的输出光功率提升114。正向电压升高0178 v；样品c的输出光功率提升82，正向电压仅升高0044 v。相比样品b，样品c的输出光功率有所下降，但也较好地抑制了正向电压的升高。样品b的出光效率随输入电流的增加而下降较快，即芯片发光效率的衰减严重；当输入电流大于65 ma时，样品b的出光效率已经小于样品a，这说明由于电流拥挤效应，较大一部分的能量已经转化为热量。而样品c的出光效率随输入电流的增加而下降的趋势较为缓慢更适合在大电流下工作。总之，经过优化设计的表面微结构具有更优的电流扩