引言

LED器件發出的光子往往會被氧化銦錫(ITO)透明電極與空氣/樹脂界面的全內反射(TIR)捕獲在LED芯片內，導致光提取效率較低。通過在氧化銦錫電極表面上形成納米尺度的圖案，可以有效地降低該界面處的全內反射，該圖案的尺寸小于發射光的波長，以允許更多的光從發光二極管發射出去。

我們提出了一種雙層透明氧化銦錫(ITO)頂部電極方案，并演示了GaN基發光二極管光輸出功率的提高。所提出的雙層結構由具有隨機分布的球形納米圖案的層和預退火底層組成，所述隨機分布的球形納米圖案僅通過無掩模濕法蝕刻工藝獲得，所述預退火底層用于保持電極的電流擴散。觀察到表面形貌和光電性能取決于蝕刻持續時間。該電極顯著提高了氮化鎵基發光二極管的光輸出功率，增強因子為2.18在100毫安時，與參考發光二極管相比，電氣性能沒有下降。

實驗

為了比較本方法中的光提取效率，我們制備了具有如下三種類型ITO電極的發光二極管：(1)初始厚度為400納米的單層電極(表示為SL400)；(2)初始厚度為800納米的單層電極(表示為SL800)；（3）雙層電極，具有初始厚度為400納米的頂層和初始厚度為400納米的底層(表示為DL400(頂部)/400(底部))。雙層納米結構氧化銦錫電極(DL400/400)通過首先沉積400納米厚的底部氧化銦錫層，然后在空氣中于600℃退火1分鐘來制造，使得該層能夠抵抗后續的濕法蝕刻工藝。厚度為400納米的第二氧化銦錫層沉積在退火的氧化銦錫層上。納米結構的氧化銦錫層是通過將沉積的第二氧化銦錫層浸入用去離子水稀釋(1∶6)的緩沖氧化物蝕刻劑(BOE)溶液中而形成的。通過在BOE溶液中蝕刻0、20、40、60、90和120秒來控制表面納米結構，以觀察電極形態的演變。蝕刻后，氧化銦錫層在空氣中于600℃退火1分鐘。對于單層納米結構的氧化銦錫電極(SL400和SL800)，在與雙層氧化銦錫頂部電極相同的條件下圖案化沉積層和納米結構表面。

利用金屬有機化學氣相沉積系統，在藍寶石襯底上生長了由未摻雜氮化鎵、摻硅氮氮化鎵、銦鎵氮/氮化鎵多量子阱有源層和摻鎂磷氮化鎵組成的藍色發光二極管外延層。采用電感耦合等離子體臺面刻蝕法制作了300×300 μm芯片尺寸的藍色發光二極管器件。通過電子束蒸發沉積鈦/金(厚度為50/200納米)層作為n型電極。p-GaN層的歐姆接觸是通過電子束蒸發將p-接觸透明銅銦氧化物(3 nm) /ITO電極沉積到p-GaN上來實現的，并且該膜隨后在純氧環境中在600℃下退火1分鐘。通過電子束蒸發在氧化銦錫透明電極上沉積鉻/金(50/200納米)焊盤電極，完成了發光二極管結構。

結果和討論

我們已經成功地展示了具有這種雙層ITO電極的超高亮度和穩定開啟電壓的ITO/GaN薄膜LED。圖1示出了具有單層(圖1(a))和雙層(圖1(b)) ITO電極的發光二極管的示意圖。單層和雙層設計都具有納米結構頂層，該頂層通過浸漬濕法蝕刻工藝圖案化，以最小化全內反射的光俘獲。對于雙層氧化銦錫，額外的致密氧化銦錫層被預沉積并在頂部圖案化層下方退火，以保持良好的整體面內電子傳導。

圖3(a)示出了具有不同浸蝕時間的SL400、SL800和DL400/400電極的薄層電阻。在60秒的蝕刻時間內，SL400的薄層電阻從20歐姆/平方顯著增加到250歐姆/平方。即使在蝕刻120秒后，在SL800中也沒有觀察到如此巨大的薄層電阻跳躍；薄層電阻保持低至50歐姆/平方。這表明SL400中的大部分400納米氧化銦錫層在60秒后被蝕刻掉，而在SL800中，有限厚度的氧化銦錫保持未被蝕刻，因此是良好的電流擴散層。另一方面，即使在120秒的最長蝕刻之后，DL400/400 ITO電極的薄層電阻也僅從20歐姆/平方略微增加到22歐姆/平方。這些結果證明了氧化銦錫的薄層電阻很大程度上受蝕刻的影響，并且可以通過額外的預沉積和退火底層成功地保持較低，該底層用作有效的電流擴散層。

為了確定有效電流擴散的最佳厚度，我們還研究了底部氧化銦錫厚度對雙層電極整體薄層電阻的影響。

由于BOE溶液在沉積(非晶)的頂部氧化銦錫層和退火的底部氧化銦錫(多晶)[10]之間具有非常好的蝕刻選擇性，所以在濕浸蝕刻之后，底部層被期望保持幾乎完整。我們通過制造發光二極管器件和增加DL400/400電極上的濕浸蝕刻時間來驗證這一點，之后我們測量了它們的伏安特性(圖3(c))，具有浸蝕ITO電極的DL400/400發光二極管的I-V曲線與具有未蝕刻ITO的發光二極管保持一致，即使在120秒的最長蝕刻時間之后。這表明退火的底部氧化銦錫在不犧牲器件性能的情況下，對長時間的濕浸蝕具有抵抗力。因此，添加預退火的底部氧化銦錫層是穩定電流擴散的有效方法，并且有助于防止操作期間的電退化。

總結

我們已經展示了雙層納米結構的ITO透明電極的制造，通過簡單的無掩模浸漬濕法蝕刻工藝圖案化，有效地提高了氮化鎵基藍色發光二極管的光提取效率。雙層氧化銦錫電極的特點是具有優化表面納米圖案的納米結構頂層，以大大減少發光二極管器件中的光截留，以及充當穩定電流擴散層的致密底層。DL400/400 ITO電極發光二極管在100毫安時的光輸出功率是參考發光二極管的2.18倍。圖案化層下的密集底部電流擴散層的存在穩定了雙層電極的導電，并且沒有觀察到薄層電阻的顯著退化。雙層氧化銦錫設計和制造工藝可以有效地提高氮化鎵藍色發光二極管的光提取效率，而不犧牲其電性能。納米圖案化通過1至2分鐘的可控濕浸蝕時間來完成，并且在高溫爐中的退火時間(1分鐘)比生長納米線所需的時間短得多，生長納米線需要在高溫下進行數小時的處理。這種簡單、低成本和可控的工藝很容易在大規模生產中應用于高亮度藍光發光二極管，并有可能促進藍光發光二極管在市場上的推廣。

審核編輯：符乾江