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。結果發現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，結合離子輔助蒸鍍技術，可獲得更優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復合膜系，經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薄膜的質量對LED器件的性能影響顯著。通過調整ITO薄膜的生長參數和膜系，可以改善LED器件的正向電壓及發光亮度。本文采用磁控濺射及電子束蒸鍍技術[1]制備ITO，研究不同鍍膜方法對ITO薄膜性質的影響，進而分析不同樣品對應LED器件特性的差異。

2 實驗

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

3 結果及討論

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，實驗設計不同膜系，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經退火后的形貌；圖1（b）為經圖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，經過電子束蒸鍍完成的復合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，有較長弛豫的時間形成最優取向的晶格，形成較平整、高質量的膜材，而電子束蒸鍍蒸發的E-ITO納米基團能量相對較低，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，主要是膜材的應力一般會隨著累加的厚度而加劇，這將導致粗化效果更加明顯。本實驗為了優化芯片光電性能，采用濺鍍的方法制備高質量的歐姆接觸層[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，進而又可同時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器件采用八針點測機對晶元進行全點測試，獲得數據如圖2所示。

圖2中，I結構包含厚度為300 ?的單層S-ITO。新設計的Ⅱ結構中包含厚度各為200 ?、100 ?的S-ITO及E-ITO。

實驗測試I結構、Ⅱ結構的光功率發現：在120 mA驅動電流下，后者光功率提升0.3%。由于后者結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力的增加而擴大到SiO2鈍化層。LED正裝芯片受全反射（total internal reflection，TIR）結構的影響導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到光疏介質傳播，有效擺脫全反射錐的束縛，進而提高光萃取能力。

不同膜系ITO方片電阻如表1所示。從結果可以看出，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，這也進一步說明復合薄膜的晶格質量沒有明顯變差。

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驗中S-ITO的吸收小于E-ITO。

3.2 不同退火條件對ITO復合膜材的影響

為了對比不同退火條件對ITO A-3膜系光電特性的影響，本次實驗設計了多個退火溫度曲線。實驗發現隨著第二段在100～500 ℃的溫區中在出現WPE 250 ℃出現峰值拐點，發光效率提升約1.5%。

4 結論

通過調整ITO薄膜的生長方式可以改善LED器件表面的形貌，進而影響正向電壓及發光亮度。對比不同的膜系LED器件發現采用sputter厚度為200 ?，E-GUN厚度為100 ?膜系的發光效率提升約1%；進一步研究第二段最優退火條件為250 ℃時，發光效率提升約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），研究方向為半導體薄膜與器件開發。

〔編輯：嚴麗琴〕