ZnO导电薄膜替代ITO可行性研究

艾国齐 赵兵 葛玉龙 刘芳 艾诚轩

摘要：本文介绍了宽禁带半导体导电薄膜材料ZnO的相关性质，对ZnO与ITO在LED芯片制作中的应用中光电参数进行对比分析，探讨了ZnO作为替代ITO的可行性，结果表明，ZnO材料作为导电薄膜具有穿透率高，与金属粘附力好等優势，但也存在方块电阻偏高等需解决的问题。

关键词：ZnO;ITO;LED芯片;光电参数

1.引言

ITO作为透明导电薄膜材料被广泛应用于平面显示以及LED行业，由于具有优秀的导电和透光性能，一直无法被取代。近年来，ZnO被认为是最有可能取代ITO的材料之一， ZnO是宽禁带半导体薄膜材料，具有极好的光学和电学特性，广泛应用于导电薄膜器件，传感器，表面声波器件以及各种光电器件。ZnO与GaN，SiC共同被称为第三代半导体材料，同时具有较高的激子束缚能，比室温热离化能大，适合制作短波发光器件。本征ZnO由于存在氧空位以及锌间隙，很容易形成n型导电特性，但是n型特性远不如P型导电特性，P型ZnO可以通过受主掺杂的方式获得，ZnO薄膜可以在500℃及以下温度生长，较低温度生长能有效避免衬底材料与ZnO之间的相互扩散，另一方面还可以大大降低生产成本。常用的制备方法有液相外延法，真空蒸镀法，溶胶凝胶法，磁控溅射，MOCVD等方法，其中溶胶凝胶法和真空蒸镀法生产工艺简单，MOCVD法生长膜层质量较好。

2.实验

2.1样品制备

挑取20片一致性较好的2寸PSS蓝宝石衬底，用MOCVD生长GaN缓冲层，N型GaN层，量子阱层，P型GaN层，对以上20片外延片进行PL测试，选择光电特性一致性较好的4片继续完成如下工艺步骤：外延片清洗，黄光光刻，N性台阶刻蚀，2片编号1和3进行真空蒸镀沉积235nm导电薄膜（ITO），另外2片编号2和4用MOCVD沉积235nm掺Al氧化锌（AZO），然后进行光刻，湿法腐蚀去掉多于部分ITO和AZO，接着制作正负电极，最后制作表面保护层，COW晶元制作完成，进行光电参数测试，接着进行研磨抛光减薄，切割成单颗晶粒，对单颗晶粒进行测试，单颗芯片尺寸为17mil*35mil。

3.实验与讨论

3.1 ITO与ZnO表面形貌对比

图一是ITO与AZO的SEM外观形貌图，工作电压10KV，放大倍数50K，（a）厚度235nmE-beamITO厚度235nm，（b）厚度235nmMOCVD AZO

从SEM图可以看出，（a）E-beam ITO表面为颗粒状结构，致密度较高，（b）MOCVD AZO表面为网状结构，二者表面外观差异较大，网状结构相对颗粒结构要稀疏，但结构更加牢固。

3.2 金属电极与ITO，AZO表面粘附力对比

图二是金相显微镜外观图，金属分别沉积在ITO和AZO表面，用刀片在电极表面来回刮片10次，（a）刮片前ITO表面金属电极外观，（b）刮片前AZO表面金属电极外观，（c）刮片后ITO表面金属电极外观，（d）刮片后AZO表面金属电极外观。

从刮片前后的（a）和（c）对比，发现金属电极已经从ITO表面脱落，连带部分ITO一起被刮掉，（b）和（d）对比可以看出，金属电极无明显脱落，AZO也牢牢的附着在基底上，表明金属电极与AZO的粘附力要好于ITO，主要是由于ITO的表面结构是颗粒状 ，而AZO表面为网状结构，网状结构具有更强的附着力。

3.3 ITO与ZnO光学性能对比

表一中光功率是17mil*35mil单颗芯片在150mA测试电流下所得，穿透率是玻璃片上沉积ITO和AZO后的测试数据。

从表一不难发现，样品1在厚度235nm时穿透率明显低于样品2，穿透率分别为94.5%，98.6%，AZO的穿透率在460nm蓝光波段明显高于ITO，这与AZO的网状结构有密切关系，网状结构更有利于光的取出，AZO具有较高的穿透率，有利于外量子效率的提升，从而使得AZO制得的芯片光功率明显高于ITO，AZO作为透明导电层与ITO相比，光功率提升8.8%

3.4 ITO与AZO电学性能对比

表二中记录了ITO和AZO的方块电阻，电压是17mil*35mil芯片在150mA条件测试的电压值。

从表二记录数据看，235nm厚度下，ITO的方块电阻只有AZO的1/9，表明AZO的导电能力相对ITO要弱不少，从150mA条件下测试得到的电压值也可以看出这一现象，主要原因可能是本征ZnO存在较多缺陷，掺杂离子浓度不够或者是没有充分激活，导致在大电流下，芯片电流扩展不佳，正向电压明显高于ITO制得的发光二极管。

4.结论：

（1）ITO表面为颗粒状分布，AZO为网状结构，网状结构的表面能为金属提供更好的附着力，从表面电极经过刀片反复刮动的结果可以印证。

（2）以ITO为导电材料制得的LED芯片光学性能不如AZO，同在235nm的厚度下，ITO在460nm波长的穿透率比AZO低4.1%，在150mA下测试，17mil*35mil芯片的光功率比AZO要低8.8%。

（3）ITO的导电性能与AZO相比具有优势，235nm厚度，AZO的方块电阻是ITO的9倍，150mA下，17mil*35mil的正向电压也明显高于ITO，表明AZO的导电性能还存在不足之处，需要继续提升掺杂离子浓度，提供更好的导电能力，因此在大电流下，AZO为导电扩展层的LED芯片劣势会更加突出，AZO只可以应用在小电流驱动的芯片上，待AZO的电阻率降低或者是ZnO中掺入其他导电更好的杂质后，可以考虑用ZnO替代ITO用于LED芯片制作。

参考文献：

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作者简介

艾国齐，男，1983-01，汉族，湖北武汉人，硕士研究生学历，中级工程师，研究方向为半导体发光二极管及功能薄膜材料

（佛山市国星半导体技术有限公司 佛山 528200）