CN108336194A - 一种led电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种LED电极的制备方法，属于光电子材料与器件技术领域，可解决现有技术在降低电子泄漏的同时阻碍空穴注入的问题，通过在n型电极中引入掺杂Fe、Co、Ni、Gd等元素的氧化物导电层，利用铁磁性金属离子的自旋轨道耦合作用散射电子从而降低电子的迁移率，缩小了电子迁移率与空穴迁移率之间的差距，有利于降低电子泄漏的几率，解决了现有技术在降低电子泄漏的同时阻碍空穴注入的问题。本方法仅需在电极中引入掺杂铁磁性金属的氧化物导电层，制备方法简单，制备成本较低。
Description
技术领域
本发明属于光电子材料与器件技术领域，具体涉及一种LED电极的制备方法。
背景技术
氮化镓基发光二极管（Light Emitting Diode，LED）具有高亮度、低能耗、长寿命、响应速度快及环保等特点，广泛地应用于室内及路灯照明、交通信号以及户外显示、汽车车灯照明、液晶背光源等多个领域。
目前已商业化的GaN基LED通常沿c面（0001）方向生长，此方向存在很强的极化场，极化效应导致能带弯曲使得电子泄漏严重以及空穴注入效率低下，使得大电流情况下LED的效率急剧衰减。研究表明效率衰减也与GaN材料中电子与空穴的电学性质差异较大密切相关。通常情况下，n-GaN中的电子浓度可达5-10×1018 cm-3，迁移率可达200-500 cm2/v.s。然而p-GaN中的空穴浓度仅为3-10×1017 cm-3，迁移率仅为 5-20 cm2/v.s。当p-n结两端加上较高的正向电压时，一部分电子获得足够的能量可越过势垒层到达p型层，与空穴或者缺陷发生复合造成空穴注入不足以及电子泄漏，导致LED在大电流注入情况下的效率急剧衰减。为削弱电子泄漏，生长于量子阱之后、p-GaN之前的高势垒p-AlGaN层常被用于阻挡热电子，但此层的引入也会对空穴的传输产生阻挡作用。
发明内容
本发明针对现有技术在降低电子泄漏的同时阻碍空穴注入的问题，提供一种LED电极的制备方法。本发明通过在n型电极中引入掺杂Fe、Co、Ni、Gd等元素的氧化物导电层，利用铁磁性金属离子的自旋轨道耦合作用散射电子从而降低电子的迁移率，缩小了电子迁移率与空穴迁移率之间的差距，有利于降低电子泄漏的几率，解决了现有技术在降低电子泄漏的同时阻碍空穴注入的问题。本方法仅需在电极中引入掺杂铁磁性金属的氧化物导电层，制备方法简单，制备成本较低。
本发明采用如下技术方案：
一种LED电极的制备方法，包括如下步骤：
第一步，选择一个衬底；
第二步，在所述衬底上依次外延生长低温缓冲层，n型半导体层，多量子阱发光层以及p型半导体层；
第三步，在所述p型半导体层上制备电流扩展层，并通过掩膜、光刻、干法以及湿法刻蚀露出n型半导体层，形成n型半导体台面；
第四步，在所述电流扩展层之上制备p型电极；
第五步，在所述n型半导体台面之上制备掺入铁磁性金属的第一部分n型电极和第二部分n型电极。
所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底、铝酸锂衬底、玻璃衬底或者碳化硅衬底。
所述低温缓冲层，n型半导体层，p型半导体层的厚度分别为5-50nm，100-10000nm，10-1000nm；三者均为InxAlyGazN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1且x+y+z=1。
所述多量子阱发光层由Inx1Aly1Gaz1N量子阱以及Inx2Aly2Gaz2N量子垒组成，且量子阱的禁带宽度小于量子垒的禁带宽度，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1且x1+y1+z1=1；0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤z2≤1且x2+y2+z2=1。
所述电流扩展层为氧化铟锡（ITO）、氧化铟（In2O3）、氧化镉锡（CTO）、氧化锑锡（ATO）、氧化锌锡（ZTO）、氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）、氧化锌掺铟（IZO）、氧化锌掺镓（GZO）、氧化锌掺铝（AZO）、掺氟氧化锡（FTO）、钼氧化铟（IMO）或者石墨烯。
所述的p型电极为Cr/Au或者Ni/Au。
所述掺入铁磁性金属的第一部分n型电极为氧化锌（ZnO）、镁锌氧（MZO）、氧化铟锡（ITO）、氧化铟（In2O3）、氧化镉锡（CTO）、氧化锑锡（ATO）、氧化锌锡（ZTO）、氧化锡（SnO2）、氧化锌掺铟（IZO）、氧化锌掺镓（GZO）、氧化锌掺铝（AZO）、掺氟氧化锡（FTO）或者钼氧化铟（IMO），采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法生长，掺入的铁磁性金属为Fe、Co、Ni或Gd。
所述的掺入铁磁性金属的第一部分n型电极的厚度为5-1000nm，铁磁性金属原子占第一部分n型电极原子百分含量的范围为0.01at%-10at%。
所述第二部分n型电极为Cr/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Pt/Au。
所述的外延生长采用三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）、硅烷（SiH4）和氨气（NH3）分别为Ga、Al、In、Si和N源，硅烷（SiH4）和二茂镁（CP2Mg）为n、p型掺杂剂，电流扩展层和p型电极、第二部分n型电极采用蒸镀或溅射镀膜或电子束蒸发制备。
本发明的有益效果如下：
本发明通过以上工艺，在n型电极中引入掺杂Fe、Co、Ni、Gd等铁磁性金属的氧化物导电层，利用铁磁性金属离子的自旋轨道耦合作用散射电子从而降低电子的迁移率，缩小了电子迁移率与空穴迁移率之间的差距，使得从多量子区域泄漏到p型层的电子数目大大减小，解决了现有技术在降低电子泄漏的同时阻碍空穴注入的问题。
本方法仅需在电极中引入掺杂铁磁性金属的氧化物导电层，不需要以牺牲外延薄膜的质量为代价降低电子迁移率，且制备方法简单，制备成本较低。
附图说明
图1为现有传统LED电极结构示意图，其中：101-衬底；102-低温缓冲层；103-n型半导体层；104-多量子阱层；105-p型半导体层；106-电子流扩展层；107-p型电极；108-n型电极。
图2为本发明LED电极结构示意图，其中：201-衬底；202-低温缓冲层；203-n型半导体层；204-多量子阱发光层；205-p型半导体层；206-电流扩展层；207-p型电极；208-第二部分n型电极；209-掺入铁磁性金属氧化物的第一部分n型电极。
具体实施方式
本发明提供一种LED电极的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、在蓝宝石衬底上依次外延生长低温缓冲层，n型半导体层，多量子阱发光层以及p型半导体层；
步骤二、在上述p型半导体层上制备电流扩展层，并通过掩膜、光刻、干法以及湿法刻蚀露出n型半导体层，形成n型半导体台面；
步骤三、在上述电流扩展层之上制备p型电极；
步骤四、在所述n型半导体台面之上制备掺入铁磁性金属的第一部分n型电极和第二部分n型电极。
优选的，步骤一中所述的低温缓冲层，n型半导体层，p型半导体层的厚度分别为5-50nm，100-10000nm，10-1000nm；三者均为InxAlyGazN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1且x+y+z=1。本实施例中低温GaN缓冲层为30nm，n型GaN半导体层为4μm，p型GaN半导体层为200nm。
优选的，步骤一中所述的多量子阱发光层由Inx1Aly1Gaz1N量子阱以及Inx2Aly2Gaz2N量子垒组成，且量子阱的禁带宽度小于量子垒的禁带宽度，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1且x1+y1+z1=1；0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤z2≤1且x2+y2+z2=1。本实施例中多量子阱发光层由10个周期的3nm In0.2Ga0.8N量子阱层和10nm GaN量子垒层组成。
优选的，步骤二中所述的电流扩展层为为氧化铟锡（ITO）、氧化铟（In2O3）、氧化镉锡（CTO）、氧化锑锡（ATO）、氧化锌锡（ZTO）、氧化锡（SnO2）、氧化锌（ZnO）、氧化锌掺铟（IZO）、氧化锌掺镓（GZO）、氧化锌掺铝（AZO）、掺氟氧化锡（FTO）、钼氧化铟（IMO）或者石墨烯。本实施例中为ITO，厚度为200nm。
优选的，步骤三中所述的p型电极为Cr/Au或者Ni/Au。本实施例中为Cr/Au，厚度为20 nm/200 nm。
优选的，步骤四中所述的掺入铁磁性金属的第一部分n型电极为氧化锌（ZnO）、镁锌氧（MZO）、氧化铟锡（ITO）、氧化铟（In2O3）、氧化镉锡（CTO）、氧化锑锡（ATO）、氧化锌锡（ZTO）、氧化锡（SnO2）、氧化锌掺铟（IZO）、氧化锌掺镓（GZO）、氧化锌掺铝（AZO）、掺氟氧化锡（FTO）或者钼氧化铟（IMO）。掺入的铁磁性金属为Fe、Co、Ni或。本实施例中第一部分n型电极为ZnO，厚度为200nm，掺入的铁磁性金属为Co，所形成的合金为Co0.05Zn0.95O。
优选的，步骤四中所述的掺入铁磁性金属的第一部分n型电极采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法生长。本实施例采用脉冲激光沉积。
优选的，步骤四中所述的第二部分n型电极为Cr/Au或者Ti/Al/Ni/Au或者Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Pt/Au。本实施例中第二部分n型电极为Cr/Au，厚度为20 nm/200 nm。
综上所述，本发明提供了一种LED电极的制备方法。该方法通过采用掺入Fe、Co、Ni、Gd等铁磁性元素的氧化物导电层作为第一部分n型电极，利用铁磁性金属离子的自旋轨道耦合作用散射电子从而降低电子的迁移率，缩小电子迁移率与空穴迁移率之间的差距，降低了电子在p型层的泄漏几率，从而提高了LED的光电性能。该方法克服了现有技术存在的同时阻挡电子泄漏和空穴注入的缺陷，且制备方法简单，制备成本较低。
Claims (10)
1.一种LED电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，选择一个衬底；
第二步，在所述衬底上依次外延生长低温缓冲层，n型半导体层，多量子阱发光层以及p型半导体层；
第三步，在所述p型半导体层上制备电流扩展层，并通过掩膜、光刻、干法以及湿法刻蚀露出n型半导体层，形成n型半导体台面；
第四步，在所述电流扩展层之上制备p型电极；
第五步，在所述n型半导体台面之上制备掺入铁磁性金属的第一部分n型电极和第二部分n型电极。
2.根据权利要求1所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述衬底为蓝宝石衬底、硅衬底、氮化镓衬底、氧化锌衬底、铝酸锂衬底、玻璃衬底或者碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述低温缓冲层，n型半导体层，p型半导体层的厚度分别为5-50nm，100-10000nm，10-1000nm；三者均为InxAlyGazN，其中0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤1且x+y+z=1。
4.根据权利要求1所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述多量子阱发光层由Inx1Aly1Gaz1N量子阱以及Inx2Aly2Gaz2N量子垒组成，且量子阱的禁带宽度小于量子垒的禁带宽度，其中0≤x1≤1，0≤y1≤1，0≤z1≤1且x1+y1+z1=1；0≤x2≤1，0≤y2≤1，0≤z2≤1且x2+y2+z2=1。
5.根据权利要求1所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述电流扩展层为氧化铟锡、氧化铟、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌锡、氧化锡、氧化锌、氧化锌掺铟、氧化锌掺镓、氧化锌掺铝、掺氟氧化锡、钼氧化铟或者石墨烯。
6.根据权利要求1所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述的p型电极为Cr/Au或者Ni/Au。
7.根据权利要求1所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述掺入铁磁性金属的第一部分n型电极为氧化锌、镁锌氧、氧化铟锡、氧化铟、氧化镉锡、氧化锑锡、氧化锌锡、氧化锡、氧化锌掺铟、氧化锌掺镓、氧化锌掺铝、掺氟氧化锡或者钼氧化铟，采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法生长，掺入的铁磁性金属为Fe、Co、Ni或Gd。
8.根据权利要求1所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述的掺入铁磁性金属的第一部分n型电极的厚度为5-1000nm，铁磁性金属原子占第一部分n型电极原子百分含量的范围为0.01at%-10at%。
9.根据权利要求1所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述第二部分n型电极为Cr/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ti/Al/Ti/Au或者Ti/Al/Pt/Au。
10.根据权利要求1至9任意一项所述的一种LED电极的制备方法，其特征在于：所述的外延生长采用三甲基镓（TMGa）、三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）、硅烷（SiH4）和氨气（NH3）分别为Ga、Al、In、Si和N源，硅烷（SiH4）和二茂镁（CP2Mg）为n、p型掺杂剂，电流扩展层和p型电极、第二部分n型电极采用蒸镀或溅射镀膜或电子束蒸发制备。
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