[发明专利]用于在Ⅲ族氮化物基发光二极管上沉积外延ZnO的工艺及包括外延ZnO的发光二极管

说明书

技术领域

本发明的方面涉及用于在Ⅲ族氮化物基发光二极管(LED)上沉积外延ZnO的连续离子层吸附与反应(SILAR)工艺，以及包括该外延ZnO层的LED。

背景技术

Ⅲ族氮化物基LED通常利用台面几何结构来制造。在台面几何结构中，LED的正极和负极电触点形成于半导体晶片的顶侧上，其中所述晶片包括位于衬底上的p型Ⅲ族氮化物层、有源层和n型Ⅲ族氮化物层。P型Ⅲ族氮化物层的薄层电阻通常比n型Ⅲ族氮化物层大很多。这造成公知的p触点电流拥塞现象。p触点电流拥塞发生的原因在于，电阻最小的电流流动路径导致在通往p型Ⅲ族氮化物层的外部电触点附近进入LED有源层的电注入更高。

由此导致p触点附近的局部电流密度及光生成更高，致使整体设备效率下降。这个问题的一种典型解决方案是利用电流扩散层来通过降低设备p侧上的薄层电阻使所注入的电流的分布更为均匀。由于所生成的光必须穿过电流扩散层才能离开设备，因此电流扩散层通常包括由非常薄的半透明金属或者透明导电氧化物(TCO)形成的层。铟锡氧化物(ITO)由于具有透明性和导电性的良好组合，因此已经成为用于Ⅲ族氮化物LED中电流扩散层的工业标准材料。然而，ITO具有高的原材料成本，这使得它一般不受欢迎。此外，质量最好的ITO薄膜通常是利用磁控管溅射进行沉积的，这要求特别的预防措施以防止在沉积过程中对Ⅲ族氮化物LED造成等离子体伤害。

在某些应用中，基于氧化锌的TCO薄膜被用作ITO的替换材料。将氧化锌沉积于Ⅲ族氮化物LED上的方法可以与通常用于ITO薄膜的方法(包括溅射)相同，但是也可以利用低温水溶液沉积法来进行沉积。不同于ITO，ZnO还具有与GaN及其他具有类似晶格参数的纤锌矿型结构的Ⅲ族氮化物半导体良好的晶格匹配。这种良好的晶格匹配允许在Ⅲ族氮化物LED表面上形成外延ZnO层，即使是在通过低温水溶液沉积法形成ZnO的时候。相比于多晶层，外延层能够拥有更高的光学透明度和电荷载体移动性，这产生增强的电流扩散层性能。相比于ITO的溅射沉积，ZnO的低温水溶液沉积提供材料、主要设备及能耗方面的优势。这使得基于ZnO的TCO层的低温水溶液沉积法在形成高性能、低成本的Ⅲ族氮化物LED电流扩散层方面具有吸引力。

水溶液法以前被用于合成各类ZnO薄膜和微米/纳米结构。在大多数场合中，沉积均匀的具有纳米/微米结构的薄膜或阵列要求使用成核或种子层。成核/种子层的目的是为了在低温溶液生长过程中为ZnO的生长提供均匀的位置分布。图1A和1B示出了在未使用成核/种子层的情况下，通过低温水溶液沉积法沉积于c平面GaN表面上的ZnO的扫描电子显微镜图像。如图1A和1B中所示，在没有种子层的情况下，用于溶液沉积/生长的条件导致成核位置不均匀和/或密度低，这发展成低密度且在空间上分离的大结构或者岛屿，而非希望的均匀阵列或薄膜。

之前已经开发了数种不同的方法用于形成成核/种子层，其包括涂覆以ZnO纳米颗粒悬浮液、涂覆以前驱物薄膜(其通过加热分解并结晶到ZnO中)、薄ZnO层的气相沉积、以及通过使ZnO从溶液中快速沉淀而进行的水溶液沉积。这些技术均存在有关利用低温水溶液沉积生成外延薄膜的严重缺陷。

对从悬浮液中沉积的纳米颗粒种子的使用与外延生长并不兼容，因为它建立了由具有随机取向的颗粒构成的种子层。对于前驱物薄膜法而言也是这样，除非采用非常高的温度以外延地使原始多晶ZnO种子层再结晶。气相沉积能够产生外延种子层，但是使用这种方法产生种子层否定了将低温水溶液沉积用于后续大块薄膜生长时的成本优势中的许多。通过从水溶液中沉淀建立种子层的方法已经被展示用于建立外延ZnO，但是这种方法不能提供高的成核密度和均匀性。

图2示出了通过沉淀法生产的种子层的扫描电子显微镜图像。所生成的ZnO看得出是不均匀的，且GaN表面的很大一部分未被覆盖。此外，沉淀过程中同步形成的ZnO颗粒会以随机的取向沉淀在种子层表面上，并对后续的外延生长形成干扰。溶解于溶液中的锌中的绝大部分在粉末颗粒而非种子层的形成中被消耗，使得种子层沉积的析出法在前驱物化学使用方面非常低效。

连续离子层吸附与反应(SILAR)法可以被视为与原子层沉积(ALD)类似的水溶液相。SILAR法通过重复循环两个自约束反应来进行，其中每一个分别添加阳离子或阴离子原子，从而缓慢地建立二元化合物薄膜。ALD使用从气相中吸收的前驱物分子。SILAR使用溶解于水溶液中的离子的吸附。