一種多方向生長(zhǎng)晶粒的ito薄膜及其制備方法、led芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種多方向生長(zhǎng)晶粒的ITO薄膜及其制備方法、LED芯片及其制備方 法，特別是一種多方向生長(zhǎng)晶粒的ITO薄膜的制備方法，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] LED發(fā)光二極管因其耗電低、安全、重量輕、壽命長(zhǎng)被廣泛應(yīng)用于路燈照明、背光 源、亮化領(lǐng)域。LED發(fā)光二極管的亮度和壽命主要受光提取效率較低的影響，這是因?yàn)楣鈴?氮化鎵材料中發(fā)出要經(jīng)過(guò)透明導(dǎo)電層ΙΤ0、鈍化層再射入空氣，其中氮化鎵的折射率是3.2_ 3.6，ITO的折射率是1.4-2，都和空氣的折射率相差很大，導(dǎo)致光的反射角過(guò)小，大量的光無(wú) 法射出表面，只能反射回氮化鎵內(nèi)部，使得光的外提取效率低，反射回的光線又被氮化鎵吸 收增加了熱能，降低芯片的使用壽命。所以如何能提高光的提取效率是目前急需解決的問 題。
[0003] 為了解決這個(gè)問題，很多研究機(jī)構(gòu)和公司都進(jìn)行了大量的研究，因?yàn)榈壍谋?層比較薄，對(duì)其晶格和形貌的改動(dòng)都會(huì)影響電壓、增加缺陷，所以一般都是從透明導(dǎo)電層 ITO入手進(jìn)行優(yōu)化。目前主要有以下幾種方法:一種通過(guò)改變氧氣、壓強(qiáng)、溫度的方法分步蒸 鍍改變ITO的致密度從而形成分層的ITO薄膜，一種是利用濕法或是干法刻蝕ITO表面將其 粗化；
[0004] 中國(guó)專利文獻(xiàn)CN103451605A公開了一種用分步ITO蒸鍍代替?zhèn)鹘y(tǒng)ITO蒸鍍進(jìn)行ITO 粗化的方法;將濃硫酸和雙氧水按照2:1的比例進(jìn)行混合，同時(shí)降溫至100度，將外延片放置 其中進(jìn)行充分清洗5min后，取出用清水沖洗干凈。
[0005] 中國(guó)專利文獻(xiàn)CN104651785A公開了一種ITO薄膜的制備方法，所述制備方法采用 磁控濺射制備工藝，工藝過(guò)程中通入的O 2流量隨時(shí)間變化，來(lái)制得折射率范圍較寬的ITO薄 膜，使之與GaN和封裝材料的折射率相匹配。該專利存在的缺陷為:這種蒸鍍出來(lái)的ITO薄膜 從微觀上看還是柱狀的結(jié)晶體，只是能提高部分光線的初射效率。
[0006] 中國(guó)專利文獻(xiàn)CN103451605A公開了一種用分步ITO蒸鍍代替?zhèn)鹘y(tǒng)ITO蒸鍍進(jìn)行ITO 粗化的方法;將濃硫酸和雙氧水按照2:1的比例進(jìn)行混合，同時(shí)降溫至100度，將外延片放置 其中進(jìn)行充分清洗5min后，取出用清水沖洗干凈。將清洗后外延片固定于鍍鍋內(nèi)，采用ITO 分步蒸鍍的方式，改變每層ITO蒸鍍時(shí)的速率和氧流量，從而使外延片最外層ITO達(dá)到粗化 的效果。該專利存在的缺陷為:這種蒸鍍出來(lái)ITO雖然表面粗化了，但是還是以長(zhǎng)柱狀結(jié)晶 體為主，只是中間空隙加大，所以出光效率提高也不大。
[0007] 中國(guó)專利文獻(xiàn)CN103474528A公開了一種用ICP干法刻蝕對(duì)ITO表面進(jìn)行粗化處理 的方法;將外延片清洗干凈，隨后將其固定于蒸鍍機(jī)內(nèi)，進(jìn)行正常的ITO蒸鍍，待ITO蒸鍍完 畢后，取出上述產(chǎn)品，同時(shí)將其置于ICP腔體內(nèi)，通入Ar氣，對(duì)ITO表面進(jìn)行粗化處理以提高 LED芯片的出光效率。這種干法刻蝕，需要昂貴的干法刻蝕設(shè)備，而且ITO刻蝕速率慢，要刻 蝕到一定深度，需要的時(shí)間也較長(zhǎng)，而且在刻蝕過(guò)程中，會(huì)改變ITO的導(dǎo)電性和透光性，所以 不利于推廣。
[0008] 中國(guó)專利文獻(xiàn)CN203503688U公開了一種LED表面粗化芯片，所述LED芯片包括襯底 以及成形在所述襯底上的外延層，所述外延層依次包括n-GaN層、發(fā)光層和p-GaN層;所述p-GaN層上成形有透明導(dǎo)電層；以及分別成形在所述n-GaN層和所述透明導(dǎo)電層上的η型電極 和P型電極，其中，所述P-GaN層表面設(shè)有多個(gè)粗化圖形;所述透明導(dǎo)電層設(shè)有多個(gè)開孔圖 形，所述全部或部分粗化圖形暴露在該開孔圖形中。這種方法需要光刻進(jìn)行圖形制備，圖形 必須達(dá)到幾個(gè)微米甚至更小，這樣需要昂貴的光刻設(shè)備，而且為了保證下一步的刻蝕或腐 蝕，光刻膠厚度要2微米以上，對(duì)于微小圖形，這么厚的光刻膠這是無(wú)法保證圖形的形貌。所 以此方法是無(wú)法用于規(guī)?；a(chǎn)的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種多方向生長(zhǎng)晶粒的ITO薄膜及其制備方 法、LED芯片及其制備方法。
[0010]本發(fā)明通過(guò)添加周期性變化的磁場(chǎng)控制蒸鍍時(shí)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，使三維方向上呈 現(xiàn)不同方向生長(zhǎng)的結(jié)晶顆粒，使光在ITO薄膜內(nèi)部散射，將光的外提取效率提高到50%以 上，方法簡(jiǎn)單，過(guò)程可控，適合規(guī)?；a(chǎn)。
[0011]術(shù)語(yǔ)解釋
[0012] LED:Light Emitting Diode，發(fā)光二極管；
[0013] IT0:Indium Tin Oxide，氧化銦錫，是一種透明導(dǎo)電薄膜。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0015] 一種多方向生長(zhǎng)晶粒的ITO薄膜的制備方法，具體步驟包括：
[0016] (1)在蒸鍍腔室安裝電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向與蒸鍍腔室 內(nèi)蒸發(fā)源發(fā)射粒子的方向垂直；
[0017] (2)往蒸鍍腔室內(nèi)通入氧氣，在LED外延片表面蒸鍍最底層ΙΤ0;此步驟不給電磁線 圈通電流，最底層ITO上晶粒豎直打到LED外延片上，生成的晶粒是豎直向上的，目的是保證 最底層ITO致密，保證與LED外延片的接觸電壓較低。
[0018] (3)在周期T內(nèi)，往電磁線圈中通入恒定電流il，在最底層ITO上生長(zhǎng)一層第一階段 ITO晶粒層;T的取值范圍為60-300s，i 1的取值范圍為0.5-2A;該步驟生成的粒子偏轉(zhuǎn)的半 徑R較大，所以第一階段ITO晶粒層晶粒生長(zhǎng)的角度偏離豎直方向夾角不是很大，目的是第 一階段ITO晶粒層生長(zhǎng)已經(jīng)出現(xiàn)方向改變但是變化不大，是過(guò)渡層，先保證與最底層ITO之 間晶粒的生長(zhǎng)方向的變化不會(huì)過(guò)大。
[0019] (4)在周期T內(nèi)，往電磁線圈中通入恒定電流i2,在第一階段ITO晶粒層上生長(zhǎng)一層 第二階段ITO晶粒層，i2的取值范圍為2A-5A;該步驟生成的粒子偏轉(zhuǎn)的半徑R較小，所以第 二階段ITO晶粒層晶粒生長(zhǎng)的角度偏離豎直方向夾角較大。目的是使第二階段ITO晶粒層生 長(zhǎng)方向大幅度改變，擴(kuò)大光散射的角度。
[0020] (5)在周期T內(nèi)，往電磁線圈中反向通入恒定電流il，在第二階段ITO晶粒層上生長(zhǎng) 一層第三階段ITO晶粒層;該步驟生成的粒子偏轉(zhuǎn)的半徑R較大，所以第三階段ITO晶粒層晶 粒生長(zhǎng)的角度偏離豎直方向夾角不大。目的是使第三階段ITO晶粒層晶粒生長(zhǎng)方向和第二 階段ITO晶粒層晶粒的方向相反但是變化不會(huì)過(guò)大，也是過(guò)渡層。
[0021] (6)在周期T內(nèi)，往電磁線圈中反向通入恒定電流i2,在第三階段ITO晶粒層上生長(zhǎng) 一層第四階段ITO晶粒層;該步驟生成的粒子偏轉(zhuǎn)的半徑R較小，所以第四階段ITO晶粒層晶 粒生長(zhǎng)的角度偏離豎直方向夾角較大。目的是使第四階段ITO晶粒層晶粒生長(zhǎng)方向與第二 階段ITO晶粒層晶粒生長(zhǎng)方向關(guān)于豎直方向?qū)ΨQ，盡可能大的擴(kuò)大光散射的角度。
[0022] (7)循環(huán)執(zhí)行步驟(2)至步驟(6)，直至ITO薄膜達(dá)到所需的厚度。
[0023] 在蒸鍍腔室安裝電磁線圈，能產(chǎn)生如圖1所示的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的在蒸鍍腔室內(nèi)是均勻 分布的，根據(jù)右手螺旋定則磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)弱由電磁線圈的電流決定，大小與電磁線圈的 電流i成正比。根據(jù)帶電粒子在磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R與磁感應(yīng)強(qiáng) 度B及質(zhì)量m、帶電量q、入射速度V之間的關(guān)系是R=mv/qB，當(dāng)m、v、q不變的情況下，半徑R與 磁感應(yīng)強(qiáng)度B成反比。半徑R越小粒子到達(dá)襯底表面與豎直方向的夾角越大，從而生成的晶 粒的方向與豎直方向的夾角也就越大，如圖2所示，反之，則半徑R越大形成的夾角越小，如 圖3所示。如果將電磁線圈的電流i反向，則磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向也反向，根據(jù)左手定則，粒子 做圓周運(yùn)動(dòng)的方向也會(huì)改變，從而生成晶粒的方向也會(huì)改變，與電磁線圈的電流i反向時(shí)生 成的晶粒方向關(guān)于豎直方向?qū)ΨQ。所通的電磁線圈的電流i是如圖4所示的周期性變化的電 流，所以磁感應(yīng)強(qiáng)度B也是周期性變化的如圖5所示。按照此周期變化電流所蒸鍍出來(lái)ITO晶 粒存在多種方向，可在三維空間上對(duì)光進(jìn)行多層散射。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述LED外延片為氮化鎵基藍(lán)光LED外延片或鋁鎵銦磷四元紅 光LED外延片;所述LED外延片包括自下而上依次設(shè)置的襯底、緩沖層、N-GaN層、P-GaN層。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述步驟(2)中，蒸鍍腔室內(nèi)，真空度為5xl(T5-7Xl(r5T 〇rr，通 氧量為5-l〇sccm;在蒸鍍腔室頂端通入氧氣;蒸鍍速率為0.3_0.5A/s，生成的最底層ITO的厚 度為150-300A;進(jìn)一步優(yōu)選的，真空度為5xl(T 5T〇rr，通氧量為5SCCm;在蒸鍍腔室頂端通入 氧氣;蒸鍍速率為0.3A/S，生成的最底層ITO的厚度為1S0A,
[0026] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述最底層ITO的晶粒的直徑為10-20nm，進(jìn)一步優(yōu)選的，所述 最底層ITO的晶粒的直徑為15nm〇
[0027] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述第一階段ITO晶粒層的厚度為0.1