ITO鍍膜工藝對LED器件光電性能的影響

吳瀅瀅

（廈門三安光電科技有限公司，福建 廈門 361009）

氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電膜主要是一種氧化銦和氧化錫根據(jù)不同比例組成的復(fù)合薄膜，作為透明導(dǎo)電膜，它將金屬的導(dǎo)電性與晶體的透光性有效地結(jié)合在一起，根據(jù)不同比例不同工藝的調(diào)試，在各種平板顯示器件、太陽能電池、電致變色功能膜、紅外遙感探測等領(lǐng)域，都獲得廣泛應(yīng)用[1-2]?，F(xiàn)在ITO薄膜的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展速度很快，制備方法有很多，常見的制備方法有熱噴涂法、電子束蒸鍍膜法、磁控濺射鍍膜法和化學(xué)氣相沉積法等。以第三代半導(dǎo)體GaN為主的發(fā)光二極管由于光電轉(zhuǎn)換效率高，目前白光可以實現(xiàn)120lm/W以上的光效，根據(jù)材料的帶隙可以進(jìn)行不同波長的調(diào)節(jié)，而且具有環(huán)保（無汞污染）、固體發(fā)光、體積小可以集成應(yīng)用等特點，目前已經(jīng)在照明、顯示、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此類型發(fā)光器件在光效、使用壽命等方面均已有可觀的進(jìn)步，有希望成為新一代照明及發(fā)光器件主流。在發(fā)光二極管芯片制作工藝中，電子束蒸發(fā)鍍膜法和磁控濺射法是最常用的兩種方法，由于磁控濺射鍍膜方法制作的ITO薄膜具有較優(yōu)光電參數(shù)性能，目前已經(jīng)有逐漸取代電子束蒸發(fā)鍍膜法的趨勢。

1 實驗

利用MOCVD機臺K456I，在兩寸藍(lán)寶石襯底上生長藍(lán)光LED外延結(jié)構(gòu)，分別生長GaN緩沖層，N型層n-GaN，5對量子阱InGaN/GaN，電子阻擋層AlGaN和P型層p-GaN。并進(jìn)行發(fā)光二極管的芯片制作，在ITO鍍膜前用有機清洗液去除外延片表面的油污等有機物，利用強酸溶液去除外延片表面的金屬氧化物等。然后放入不同的ITO鍍膜機臺進(jìn)行沉積，同時放入硅片進(jìn)行監(jiān)控測試[3]。磁控濺射采用日本ULVAC的磁控濺射鍍膜儀SIV200，在LED外延晶片上濺射沉積生長ITO薄膜，采用臺灣技鼎快速退火機臺RTP-C200SA進(jìn)行ITO退火，并制作器件；ITO陶瓷靶材（比例90：10），濺射氣體為高純度Ar氣，常溫濺射，具體的鍍膜工藝參數(shù)參考文獻(xiàn)[4]。電子束蒸鍍采用臺灣富林電子束蒸鍍機FU-20PEB，采用臺灣技鼎快速退火機臺進(jìn)行ITO退火，并制作器件；電子束的ITO源采用錠狀源（比例95：5）；成分控制氣體為O2，鍍膜溫度為280℃，鍍率為1A/s，氧氣流量為2.8 scm，膜厚為1100A。ITO膜完成后通過掃描電鏡S-4800對硅片上的ITO表面進(jìn)行分析，以及XRD的測試對比，并將發(fā)光二極管器件繼續(xù)制作完成，進(jìn)一步對比ITO薄膜對發(fā)光二極管光電性能的影響差異。

1.1 電子束蒸鍍

在ITO電子束蒸鍍中，利用高能的電子束加熱ITO錠狀源，并可以獲得極高的能量密度，材料的溫度繼續(xù)升高，加熱溫度可達(dá)到2000℃～5000℃，可以通過晶振片的控制實現(xiàn)鍍膜速率的控制；同時，結(jié)合機臺鍍鍋的高速旋轉(zhuǎn)，鍍膜均勻性以及重復(fù)性也能夠很好實現(xiàn)；鍍膜工藝主要通過調(diào)節(jié)ITO的鍍率、氧氣流量、腔體壓力以及腔體的溫度來控制ITO的表面平坦度、透過率以及導(dǎo)電性；通過退火的溫度、氧氣和氮氣的流量進(jìn)一步完善。圖1是電子束蒸鍍后經(jīng)過退火后的表面形貌；表面呈現(xiàn)很均勻的細(xì)小顆粒，在ITO沉積過程中，已經(jīng)吸收氧，并且在腔體溫度280℃左右進(jìn)行結(jié)晶成型，是ITO多晶態(tài)顆粒的堆積。

圖1 電子束蒸鍍退火后的表面形貌

圖2是對電子束蒸鍍退火后ITO進(jìn)行XRD圖譜分析，ITO膜層結(jié)構(gòu)中較強的信號出現(xiàn)在（222）、（400），同時在（440）、（622）面也出現(xiàn)了不同強度的鋒，但是差異不大，ITO膜的擇優(yōu)取向不明顯，與SEM看到的現(xiàn)象一致，各個晶面信號都有非晶態(tài)的形式存在。

圖2 電子束蒸鍍退火后的XRD圖譜

1.2 磁控濺射鍍膜

在ITO磁控濺射中，通過等離子形成Ar正離子和新的電子等各種混合物，Ar正離子在電場作用下加速飛向陰極銅靶形成高能的離子，并通過各個角度轟擊ITO靶材濺射出ITO粒子，發(fā)光二極管的基片和硅片與靶材距離很低，濺射靶原子或分子逐步沉積并形成薄膜。鍍膜工藝主要通過調(diào)節(jié)功率、氬氣流量、氧氣流量、壓力以及腔體壓力參數(shù)的最優(yōu)化，溫度采用室溫進(jìn)行沉積；通過退火的溫度、氧氣和氮氣的流量進(jìn)一步完善；圖3是磁控濺射鍍膜后經(jīng)過退火后的表面形貌，In2O3的結(jié)晶溫度約為180℃，低于此溫度下的ITO薄膜處于非晶態(tài)，樣品中存在大量的缺陷增加了散射，晶界很多，故樣品的光電性能都比較差。經(jīng)過高溫退火后，內(nèi)應(yīng)力減少，負(fù)氧離子溢出大大降低了晶格缺陷，進(jìn)一步實現(xiàn)晶化過程，性能得到改善，退火后，ITO的晶面整體變好，晶界變少，呈現(xiàn)方塊形。

圖3 磁控濺射退火后的表面形貌

從圖4的XRD分析看出，ITO膜層結(jié)構(gòu)中較強的信號出現(xiàn)在（222）、（400），同時在（440）、（622）面也出現(xiàn)了不同強度的鋒，不同于圖2的XRD圖譜，面（222）的衍射強度明顯增加，說明ITO薄膜在這個面的晶化程度更好，結(jié)晶性更高；這也使ITO薄膜的載流子遷移率增加，有利于薄膜的導(dǎo)電性。薄膜的結(jié)晶化好，晶格常數(shù)、晶粒尺寸都有所增加，薄膜的表面粗糙度降低，缺陷密度降低透過率提高。薄膜的導(dǎo)電性增強主要是由于：在相同的載流子濃度下，經(jīng)熱處理后，ITO薄膜晶化程度趨于完善[4]。隨著芯片尺寸的變大，ITO薄膜的晶化逐漸完善與晶粒逐漸長大，晶界面積減小，晶界缺陷密度降低，晶界散射程度降低，從而減少了對電子移動的阻礙，載流子容易遷移，薄膜的電阻率降低。退火后薄膜的方阻減小，從而使薄膜的導(dǎo)電性和透過率都有所提高。特別是隨著電流密度的增大，這種特征會體現(xiàn)更加明顯。

圖4 磁控濺射蒸鍍退火后的XRD圖譜

1.3 LED光電參數(shù)測試

GaN外延片鍍完ITO后，結(jié)合黃光工藝，利用濕蝕刻和干蝕刻將GaN的PN結(jié)分開，并制作成550um*760um的發(fā)光二極管，芯片是水平結(jié)構(gòu)的芯片，P/N電極采用Cr/Pt/Au；最后鍍上二氧化硅ITO保護(hù)層，并開孔露出電極位置，進(jìn)一步測試芯片的光電參數(shù)；圖5是LED的電壓隨電流變化曲線，在20mA以下，電子束蒸鍍的ITO與磁控濺射的ITO對電壓的影響相差較小，隨著電流的增加，采用電子束蒸鍍ITO的LED，電壓上升較快，主要是ITO的橫向電阻較大，電流的水平擴展較差；小電流注入時（＜7A/cm2），磁控濺射ITO的近場分布與電子束蒸鍍TIO的近場分布差異較小，在PN電極附近的近場分布都比較均勻，在電流增加的情況下，當(dāng)電流密度超過23.5 A/cm2后，磁控濺射的ITO橫向擴散比電子束蒸鍍的ITO好，整體近場分布較均勻。

圖5 發(fā)光二極管的電壓隨電流變化曲線

將芯片封裝到環(huán)氧樹脂中，測試對比亮度的差異，圖6是兩種鍍膜方式制作ITO后的LED亮度隨電流變化曲線，在小電流30mA以下，亮度差異不大，當(dāng)注入電流超過30mA后，采用磁控濺射ITO制成的LED亮度更高，器件的過載驅(qū)動能力也比較強。

圖6 發(fā)光二極管的亮度隨電流變化曲線

2 結(jié)論

采用電子束蒸鍍和直流磁控濺射方法制備ITO薄膜，分析表面形貌和測試XRD圖譜，對比ITO薄膜的成膜性、晶化程度、結(jié)晶取向、晶粒尺寸、電阻率的差異。整個ITO薄膜呈現(xiàn)是多晶特性，膜層結(jié)構(gòu)中以（222）、（400）為主要晶面，在（440）、（622）面也都有不同強度的鋒，磁控濺射的（222）晶面衍射峰強度比電子束鍍膜的明顯加強。這說明，薄膜晶化程度變好，磁控濺射后薄膜更為平坦，退火后整個結(jié)晶性朝著（222）這一面集中，這有助于ITO薄膜的載流子遷移率增加，有利于薄膜的導(dǎo)電性。薄膜的結(jié)晶化好，晶格常數(shù)、晶粒尺寸都有所增加，薄膜的表面粗糙度降低，缺陷密度降低透過率提高。將ITO薄膜制作到發(fā)光二極管中，小電流注入時，磁控濺射ITO的熱場分布與電子束蒸鍍TIO的熱場分布差異較小，在PN電極附近的熱場分布都比較均勻，在電流增加的情況下，當(dāng)電流密度超過7A/cm2后，磁控濺射的ITO橫向擴散比電子束蒸鍍的ITO好，整體熱場分布較均勻；當(dāng)電流超過23.5 A/cm2后，磁控濺射ITO的LED亮度提高，器件的過載能力比較強。