基于LED器件的納米粗化ITO薄膜研究

陳思河

基于LED器件的納米粗化ITO薄膜研究

陳思河

（廈門市三安光電科技有限公司，福建 廈門 361009）

采用磁控濺射和離子輔助沉積等方式制作多種ITO薄膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)LED器件電壓主要受底部膜層沉積方式和第二段退火條件的影響。另外，膜層的最終表面對光萃取有顯著影響，結(jié)合離子輔助蒸鍍技術(shù)，可獲得更優(yōu)光萃效果的納米粗化表面，其中濺射200 ?厚度搭配蒸鍍100 ?厚度的ITO復(fù)合膜系，經(jīng)二次退火后具有最佳特性。

LED器件；納米粗化ITO薄膜；鍍膜方式；ITO薄膜性能

1 引言

ITO薄膜的質(zhì)量對LED器件的性能影響顯著。通過調(diào)整ITO薄膜的生長參數(shù)和膜系，可以改善LED器件的正向電壓及發(fā)光亮度。本文采用磁控濺射及電子束蒸鍍技術(shù)[1]制備ITO，研究不同鍍膜方法對ITO薄膜性質(zhì)的影響，進(jìn)而分析不同樣品對應(yīng)LED器件特性的差異。

2 實(shí)驗(yàn)

采用多靶位旋轉(zhuǎn)磁控濺射設(shè)備和立式離子輔助蒸鍍設(shè)備分別生長濺射ITO（Sputter ITO，S-ITO）及電子束蒸鍍ITO（E-beamITO，E-ITO），采用PECVD設(shè)備制作鈍化層（Passivation Layer，PV）。襯底包括4 in（1 in=2.54 cm）藍(lán)寶石外延片和2 in BK7基板。通過SEM、四點(diǎn)探針、nk橢偏儀、Cary光譜儀以及點(diǎn)測機(jī)測量薄膜形貌、方塊電阻、折射率和吸收率、LED光電數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果及討論

3.1 鍍膜方式對ITO薄膜性能的影響

由于厚度會影響薄膜的光電特性[2]，為了比對鍍膜方式的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不同膜系，且保持總厚度不變。GaN LED的10萬倍率SEM形貌如圖1所示。

圖1（a）為磁控濺鍍300A S-ITO經(jīng)退火后的形貌；圖1（b）為經(jīng)圖1（a）制程之后采用PE-CVD 沉積800 ? SiO2PV的形貌；圖1（c）為磁控濺射200 ? S-ITO退火后，再次電子束蒸鍍100A E-ITO，二次退火的形貌；圖1（d）為經(jīng)圖1（c）制程后，采用PE-CVD 沉積800 ? SiO2的形貌。由圖1（a）和圖1（c）可以明顯看出，經(jīng)過電子束蒸鍍完成的復(fù)合ITO膜，具有更加粗化的表面。由于S-ITO為多晶取向，在濺鍍成膜過程中，飛濺出的S-ITO納米基團(tuán)獲得較高的能量，在襯底上具有更大的分子自由程，有較長弛豫的時(shí)間形成最優(yōu)取向的晶格，形成較平整、高質(zhì)量的膜材，而電子束蒸鍍蒸發(fā)的E-ITO納米基團(tuán)能量相對較低，因生長缺陷較多容易獲得粗糙起伏的表面。在圖1（a）、圖1（c）的膜材表面上，生長出更加粗糙的SiO2鈍化層，主要是膜材的應(yīng)力一般會隨著累加的厚度而加劇，這將導(dǎo)致粗化效果更加明顯。本實(shí)驗(yàn)為了優(yōu)化芯片光電性能，采用濺鍍的方法制備高質(zhì)量的歐姆接觸層[3]，保證LED器件具有較低的正向電壓。另外，采用電子束制備的粗糙表面有利于光的萃取，進(jìn)而又可同時(shí)獲得更高的輸出光功率。

圖1 不同樣品的薄膜表面SEM圖

將圖1（b）和圖1（d）的LED器件采用八針點(diǎn)測機(jī)對晶元進(jìn)行全點(diǎn)測試，獲得數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2中，I結(jié)構(gòu)包含厚度為300 ?的單層S-ITO。新設(shè)計(jì)的Ⅱ結(jié)構(gòu)中包含厚度各為200 ?、100 ?的S-ITO及E-ITO。

實(shí)驗(yàn)測試I結(jié)構(gòu)、Ⅱ結(jié)構(gòu)的光功率發(fā)現(xiàn)：在120 mA驅(qū)動(dòng)電流下，后者光功率提升0.3%。由于后者結(jié)合電子束蒸鍍工藝獲得具有納米粗化的ITO表層起伏的效果隨著疊層應(yīng)力的增加而擴(kuò)大到SiO2鈍化層。LED正裝芯片受全反射（total internal reflection，TIR）結(jié)構(gòu)的影響導(dǎo)致大量光子無法有效萃取出光。由于粗化的表面可以幫助光子由光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)傳播，有效擺脫全反射錐的束縛，進(jìn)而提高光萃取能力。

不同膜系ITO方片電阻如表1所示。從結(jié)果可以看出，底層為濺鍍ITO膜系的方片電阻約為90 Ω/□，隨著E-ITO的比例增加，數(shù)值會略有上升；但如果以E-ITO作為底層接觸，方片電阻將上升至167.2 Ω/□，增加近2倍，底層為S-ITO膜系的玻片之間吸收率沒有太大變化，這也進(jìn)一步說明復(fù)合薄膜的晶格質(zhì)量沒有明顯變差。

表1顯示了不同鍍膜方式的ITO薄膜的方片吸收率，曲線圖顯示在本次實(shí)驗(yàn)中S-ITO的吸收小于E-ITO。

3.2 不同退火條件對ITO復(fù)合膜材的影響

為了對比不同退火條件對ITO A-3膜系光電特性的影響，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了多個(gè)退火溫度曲線。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著第二段在100～500 ℃的溫區(qū)中在出現(xiàn)WPE 250 ℃出現(xiàn)峰值拐點(diǎn)，發(fā)光效率提升約1.5%。

4 結(jié)論

通過調(diào)整ITO薄膜的生長方式可以改善LED器件表面的形貌，進(jìn)而影響正向電壓及發(fā)光亮度。對比不同的膜系LED器件發(fā)現(xiàn)采用sputter厚度為200 ?，E-GUN厚度為100 ?膜系的發(fā)光效率提升約1%；進(jìn)一步研究第二段最優(yōu)退火條件為250 ℃時(shí)，發(fā)光效率提升約1.5%。

表1 總膜厚固定，不同膜系的吸收率及方片電阻

膜系組合A-1A-2A-3A-4A-5A-6 S-ITO厚度/?3002502001501000 E-ITO厚度/?050100150200300 吸收率/（%） @460 nm0.3550.3560.3660.3750.3960.456 方片電阻（Ω/□）88.288.59093.195.2167.2

［1］CHEN A，ZHU K，ZHONG H，et al.A new investigation of oxygen flow influence on ITO thin films by magnetron sputtering［J］.Solar energy materials & solar cells，2014，120（1）：157-162．

［2］LUO Y S H，CHEN S L，MA P，et al.Influence of thickness on electrical and optical property of ITO thin films［J］.Piezoelectrics & acoustooptics，2010，32（6）：1024-1026.

［3］LIU Y J，YEN C H，YU K H，et al.Characteristics of an alGaInP-based light emitting diode with an indium-Tin-Oxide （ITO） direct ohmic contact structure［J］.Journal of quantum electronics，2010，46（2）：246-252.

TN312.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.012

2095－6835（2021）08－0038－02

陳思河（1986—），男，福建晉江人，碩士研究生，工程師（中級），研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體薄膜與器件開發(fā)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕