ZnO導電薄膜替代ITO可行性研究

艾國齊 趙兵 葛玉龍 劉芳 艾誠軒

摘要：本文介紹了寬禁帶半導體導電薄膜材料ZnO的相關性質，對ZnO與ITO在LED芯片制作中的應用中光電參數進行對比分析，探討了ZnO作為替代ITO的可行性，結果表明，ZnO材料作為導電薄膜具有穿透率高，與金屬粘附力好等優勢，但也存在方塊電阻偏高等需解決的問題。

關鍵詞：ZnO;ITO;LED芯片;光電參數

1.引言

ITO作為透明導電薄膜材料被廣泛應用于平面顯示以及LED行業，由于具有優秀的導電和透光性能，一直無法被取代。近年來，ZnO被認為是最有可能取代ITO的材料之一， ZnO是寬禁帶半導體薄膜材料，具有極好的光學和電學特性，廣泛應用于導電薄膜器件，傳感器，表面聲波器件以及各種光電器件。ZnO與GaN，SiC共同被稱為第三代半導體材料，同時具有較高的激子束縛能，比室溫熱離化能大，適合制作短波發光器件。本征ZnO由于存在氧空位以及鋅間隙，很容易形成n型導電特性，但是n型特性遠不如P型導電特性，P型ZnO可以通過受主摻雜的方式獲得，ZnO薄膜可以在500℃及以下溫度生長，較低溫度生長能有效避免襯底材料與ZnO之間的相互擴散，另一方面還可以大大降低生產成本。常用的制備方法有液相外延法，真空蒸鍍法，溶膠凝膠法，磁控濺射，MOCVD等方法，其中溶膠凝膠法和真空蒸鍍法生產工藝簡單，MOCVD法生長膜層質量較好。

2.實驗

2.1樣品制備

挑取20片一致性較好的2寸PSS藍寶石襯底，用MOCVD生長GaN緩沖層，N型GaN層，量子阱層，P型GaN層，對以上20片外延片進行PL測試，選擇光電特性一致性較好的4片繼續完成如下工藝步驟：外延片清洗，黃光光刻，N性臺階刻蝕，2片編號1和3進行真空蒸鍍沉積235nm導電薄膜（ITO），另外2片編號2和4用MOCVD沉積235nm摻Al氧化鋅（AZO），然后進行光刻，濕法腐蝕去掉多于部分ITO和AZO，接著制作正負電極，最后制作表面保護層，COW晶元制作完成，進行光電參數測試，接著進行研磨拋光減薄，切割成單顆晶粒，對單顆晶粒進行測試，單顆芯片尺寸為17mil*35mil。

3.實驗與討論

3.1 ITO與ZnO表面形貌對比

圖一是ITO與AZO的SEM外觀形貌圖，工作電壓10KV，放大倍數50K，（a）厚度235nmE-beamITO厚度235nm，（b）厚度235nmMOCVD AZO

從SEM圖可以看出，（a）E-beam ITO表面為顆粒狀結構，致密度較高，（b）MOCVD AZO表面為網狀結構，二者表面外觀差異較大，網狀結構相對顆粒結構要稀疏，但結構更加牢固。

3.2 金屬電極與ITO，AZO表面粘附力對比

圖二是金相顯微鏡外觀圖，金屬分別沉積在ITO和AZO表面，用刀片在電極表面來回刮片10次，（a）刮片前ITO表面金屬電極外觀，（b）刮片前AZO表面金屬電極外觀，（c）刮片后ITO表面金屬電極外觀，（d）刮片后AZO表面金屬電極外觀。

從刮片前后的（a）和（c）對比，發現金屬電極已經從ITO表面脫落，連帶部分ITO一起被刮掉，（b）和（d）對比可以看出，金屬電極無明顯脫落，AZO也牢牢的附著在基底上，表明金屬電極與AZO的粘附力要好于ITO，主要是由于ITO的表面結構是顆粒狀 ，而AZO表面為網狀結構，網狀結構具有更強的附著力。

3.3 ITO與ZnO光學性能對比

表一中光功率是17mil*35mil單顆芯片在150mA測試電流下所得，穿透率是玻璃片上沉積ITO和AZO后的測試數據。

從表一不難發現，樣品1在厚度235nm時穿透率明顯低于樣品2，穿透率分別為94.5%，98.6%，AZO的穿透率在460nm藍光波段明顯高于ITO，這與AZO的網狀結構有密切關系，網狀結構更有利于光的取出，AZO具有較高的穿透率，有利于外量子效率的提升，從而使得AZO制得的芯片光功率明顯高于ITO，AZO作為透明導電層與ITO相比，光功率提升8.8%

3.4 ITO與AZO電學性能對比

表二中記錄了ITO和AZO的方塊電阻，電壓是17mil*35mil芯片在150mA條件測試的電壓值。

從表二記錄數據看，235nm厚度下，ITO的方塊電阻只有AZO的1/9，表明AZO的導電能力相對ITO要弱不少，從150mA條件下測試得到的電壓值也可以看出這一現象，主要原因可能是本征ZnO存在較多缺陷，摻雜離子濃度不夠或者是沒有充分激活，導致在大電流下，芯片電流擴展不佳，正向電壓明顯高于ITO制得的發光二極管。

4.結論：

（1）ITO表面為顆粒狀分布，AZO為網狀結構，網狀結構的表面能為金屬提供更好的附著力，從表面電極經過刀片反復刮動的結果可以印證。

（2）以ITO為導電材料制得的LED芯片光學性能不如AZO，同在235nm的厚度下，ITO在460nm波長的穿透率比AZO低4.1%，在150mA下測試，17mil*35mil芯片的光功率比AZO要低8.8%。

（3）ITO的導電性能與AZO相比具有優勢，235nm厚度，AZO的方塊電阻是ITO的9倍，150mA下，17mil*35mil的正向電壓也明顯高于ITO，表明AZO的導電性能還存在不足之處，需要繼續提升摻雜離子濃度，提供更好的導電能力，因此在大電流下，AZO為導電擴展層的LED芯片劣勢會更加突出，AZO只可以應用在小電流驅動的芯片上，待AZO的電阻率降低或者是ZnO中摻入其他導電更好的雜質后，可以考慮用ZnO替代ITO用于LED芯片制作。

參考文獻：

[1] 丁衛華，翁文劍，等.溶膠-凝膠法制備聲表面波器件用Li：ZnO薄膜.硅酸鹽學報，2003，6，31（6）：553

[2] 呂建國， 汪雷，等.ZnO薄膜應用的最新研究進展. 功能材料與器件學報，2002，9，8（3）：304

[3] 賈曉林，張海軍，等.氧化鋅薄膜研究的新進展.材料導報，2003，9，17：208

[4] 張亞萍，李啟甲.摻鋁氧化鋅（AZO）導電薄膜的研究進展.現代顯示，2006，3：51.

[5]Ashrati A B M A，Ueta A，Avramescu A，et a1.Growth and characterization of hypothetical zinc blende ZnOfilm on GaAs（001）substrates with ZnS buffer layers[J].Appl Phys Lett，2000，76（5）：550

作者簡介

艾國齊，男，1983-01，漢族，湖北武漢人，碩士研究生學歷，中級工程師，研究方向為半導體發光二極管及功能薄膜材料

（佛山市國星半導體技術有限公司 佛山 528200）