ITO镀膜工艺对LED器件光电性能的影响

吴滢滢

（厦门三安光电科技有限公司，福建 厦门 361009）

氧化铟锡（ITO）导电膜主要是一种氧化铟和氧化锡根据不同比例组成的复合薄膜，作为透明导电膜，它将金属的导电性与晶体的透光性有效地结合在一起，根据不同比例不同工艺的调试，在各种平板显示器件、太阳能电池、电致变色功能膜、红外遥感探测等领域，都获得广泛应用[1-2]。现在ITO薄膜的开发和应用发展速度很快，制备方法有很多，常见的制备方法有热喷涂法、电子束蒸镀膜法、磁控溅射镀膜法和化学气相沉积法等。以第三代半导体GaN为主的发光二极管由于光电转换效率高，目前白光可以实现120lm/W以上的光效，根据材料的带隙可以进行不同波长的调节，而且具有环保（无汞污染）、固体发光、体积小可以集成应用等特点，目前已经在照明、显示、农业生产和生物医疗等领域得到广泛应用。此类型发光器件在光效、使用寿命等方面均已有可观的进步，有希望成为新一代照明及发光器件主流。在发光二极管芯片制作工艺中，电子束蒸发镀膜法和磁控溅射法是最常用的两种方法，由于磁控溅射镀膜方法制作的ITO薄膜具有较优光电参数性能，目前已经有逐渐取代电子束蒸发镀膜法的趋势。

1 实验

利用MOCVD机台K456I，在两寸蓝宝石衬底上生长蓝光LED外延结构，分别生长GaN缓冲层，N型层n-GaN，5对量子阱InGaN/GaN，电子阻挡层AlGaN和P型层p-GaN。并进行发光二极管的芯片制作，在ITO镀膜前用有机清洗液去除外延片表面的油污等有机物，利用强酸溶液去除外延片表面的金属氧化物等。然后放入不同的ITO镀膜机台进行沉积，同时放入硅片进行监控测试[3]。磁控溅射采用日本ULVAC的磁控溅射镀膜仪SIV200，在LED外延晶片上溅射沉积生长ITO薄膜，采用台湾技鼎快速退火机台RTP-C200SA进行ITO退火，并制作器件；ITO陶瓷靶材（比例90：10），溅射气体为高纯度Ar气，常温溅射，具体的镀膜工艺参数参考文献[4]。电子束蒸镀采用台湾富林电子束蒸镀机FU-20PEB，采用台湾技鼎快速退火机台进行ITO退火，并制作器件；电子束的ITO源采用锭状源（比例95：5）；成分控制气体为O2，镀膜温度为280℃，镀率为1A/s，氧气流量为2.8 scm，膜厚为1100A。ITO膜完成后通过扫描电镜S-4800对硅片上的ITO表面进行分析，以及XRD的测试对比，并将发光二极管器件继续制作完成，进一步对比ITO薄膜对发光二极管光电性能的影响差异。

1.1 电子束蒸镀

在ITO电子束蒸镀中，利用高能的电子束加热ITO锭状源，并可以获得极高的能量密度，材料的温度继续升高，加热温度可达到2000℃～5000℃，可以通过晶振片的控制实现镀膜速率的控制；同时，结合机台镀锅的高速旋转，镀膜均匀性以及重复性也能够很好实现；镀膜工艺主要通过调节ITO的镀率、氧气流量、腔体压力以及腔体的温度来控制ITO的表面平坦度、透过率以及导电性；通过退火的温度、氧气和氮气的流量进一步完善。图1是电子束蒸镀后经过退火后的表面形貌；表面呈现很均匀的细小颗粒，在ITO沉积过程中，已经吸收氧，并且在腔体温度280℃左右进行结晶成型，是ITO多晶态颗粒的堆积。

图1 电子束蒸镀退火后的表面形貌

图2是对电子束蒸镀退火后ITO进行XRD图谱分析，ITO膜层结构中较强的信号出现在（222）、（400），同时在（440）、（622）面也出现了不同强度的锋，但是差异不大，ITO膜的择优取向不明显，与SEM看到的现象一致，各个晶面信号都有非晶态的形式存在。

图2 电子束蒸镀退火后的XRD图谱

1.2 磁控溅射镀膜

在ITO磁控溅射中，通过等离子形成Ar正离子和新的电子等各种混合物，Ar正离子在电场作用下加速飞向阴极铜靶形成高能的离子，并通过各个角度轰击ITO靶材溅射出ITO粒子，发光二极管的基片和硅片与靶材距离很低，溅射靶原子或分子逐步沉积并形成薄膜。镀膜工艺主要通过调节功率、氩气流量、氧气流量、压力以及腔体压力参数的最优化，温度采用室温进行沉积；通过退火的温度、氧气和氮气的流量进一步完善；图3是磁控溅射镀膜后经过退火后的表面形貌，In2O3的结晶温度约为180℃，低于此温度下的ITO薄膜处于非晶态，样品中存在大量的缺陷增加了散射，晶界很多，故样品的光电性能都比较差。经过高温退火后，内应力减少，负氧离子溢出大大降低了晶格缺陷，进一步实现晶化过程，性能得到改善，退火后，ITO的晶面整体变好，晶界变少，呈现方块形。

图3 磁控溅射退火后的表面形貌

从图4的XRD分析看出，ITO膜层结构中较强的信号出现在（222）、（400），同时在（440）、（622）面也出现了不同强度的锋，不同于图2的XRD图谱，面（222）的衍射强度明显增加，说明ITO薄膜在这个面的晶化程度更好，结晶性更高；这也使ITO薄膜的载流子迁移率增加，有利于薄膜的导电性。薄膜的结晶化好，晶格常数、晶粒尺寸都有所增加，薄膜的表面粗糙度降低，缺陷密度降低透过率提高。薄膜的导电性增强主要是由于：在相同的载流子浓度下，经热处理后，ITO薄膜晶化程度趋于完善[4]。随着芯片尺寸的变大，ITO薄膜的晶化逐渐完善与晶粒逐渐长大，晶界面积减小，晶界缺陷密度降低，晶界散射程度降低，从而减少了对电子移动的阻碍，载流子容易迁移，薄膜的电阻率降低。退火后薄膜的方阻减小，从而使薄膜的导电性和透过率都有所提高。特别是随着电流密度的增大，这种特征会体现更加明显。

图4 磁控溅射蒸镀退火后的XRD图谱

1.3 LED光电参数测试

GaN外延片镀完ITO后，结合黄光工艺，利用湿蚀刻和干蚀刻将GaN的PN结分开，并制作成550um*760um的发光二极管，芯片是水平结构的芯片，P/N电极采用Cr/Pt/Au；最后镀上二氧化硅ITO保护层，并开孔露出电极位置，进一步测试芯片的光电参数；图5是LED的电压随电流变化曲线，在20mA以下，电子束蒸镀的ITO与磁控溅射的ITO对电压的影响相差较小，随着电流的增加，采用电子束蒸镀ITO的LED，电压上升较快，主要是ITO的横向电阻较大，电流的水平扩展较差；小电流注入时（＜7A/cm2），磁控溅射ITO的近场分布与电子束蒸镀TIO的近场分布差异较小，在PN电极附近的近场分布都比较均匀，在电流增加的情况下，当电流密度超过23.5 A/cm2后，磁控溅射的ITO横向扩散比电子束蒸镀的ITO好，整体近场分布较均匀。

图5 发光二极管的电压随电流变化曲线

将芯片封装到环氧树脂中，测试对比亮度的差异，图6是两种镀膜方式制作ITO后的LED亮度随电流变化曲线，在小电流30mA以下，亮度差异不大，当注入电流超过30mA后，采用磁控溅射ITO制成的LED亮度更高，器件的过载驱动能力也比较强。

图6 发光二极管的亮度随电流变化曲线

2 结论

采用电子束蒸镀和直流磁控溅射方法制备ITO薄膜，分析表面形貌和测试XRD图谱，对比ITO薄膜的成膜性、晶化程度、结晶取向、晶粒尺寸、电阻率的差异。整个ITO薄膜呈现是多晶特性，膜层结构中以（222）、（400）为主要晶面，在（440）、（622）面也都有不同强度的锋，磁控溅射的（222）晶面衍射峰强度比电子束镀膜的明显加强。这说明，薄膜晶化程度变好，磁控溅射后薄膜更为平坦，退火后整个结晶性朝着（222）这一面集中，这有助于ITO薄膜的载流子迁移率增加，有利于薄膜的导电性。薄膜的结晶化好，晶格常数、晶粒尺寸都有所增加，薄膜的表面粗糙度降低，缺陷密度降低透过率提高。将ITO薄膜制作到发光二极管中，小电流注入时，磁控溅射ITO的热场分布与电子束蒸镀TIO的热场分布差异较小，在PN电极附近的热场分布都比较均匀，在电流增加的情况下，当电流密度超过7A/cm2后，磁控溅射的ITO横向扩散比电子束蒸镀的ITO好，整体热场分布较均匀；当电流超过23.5 A/cm2后，磁控溅射ITO的LED亮度提高，器件的过载能力比较强。