Минобрнауки россии федеральное государственное бюджетное
 Скачать 2.05 Mb.
|
Глава 2.ITO / Ag / ITO многослойные прозрачные проводящие электроды для ультрафиолетовых светодиодов.Многослойные прозрачные проводящие электроды ITO / Ag / ITO (IAI) для ультрафиолетовых светодиодов изготавливаются методом реактивного распыления, оптимизируются отжигом и характеризуются электрическими и оптическими свойствами. Увеличение температуры отжига от 300 до 500°С уменьшило сопротивление листа и увеличило коэффициент пропускания. Это может быть результатом наблюдаемого улучшения кристалличности многослойного IAI и снижения коэффициента поглощения Ag в ближней УФ области. Мы наблюдали самое низкое сопротивление листа (9,21 Ом ∕ кв) и самое высокое оптическое пропускание (88%) при 380 нм для многослойных образцов IAI, отожженных в газе N2 при 500 ° C. Почти ультрафиолетовые светодиоды на основе GaN в диапазоне длин волн 380–400 нм используются в различных областях, таких как аналитические приборы, очистка воды, медицинские процедуры, идентификация биологических агентов и дисплеи белого светодиода для общего применения освещения. Однако, в отличие от синих светодиодов, имеется мало прозрачных проводящих электродов, подходящих для светодиодов, близких к ультрафиолетовому. Использование несовместимых материалов прозрачных проводящих электродов (TCE) снижает внешнюю квантовую эффективность ультрафиолетовых светодиодов. В частности, из-за высокого сопротивления листа и низкой подвижности носителей тонкого слоя GaN p-типа во всем диапазоне излучаемых длин волн светодиоды, изготовленные из этого материала, проявляют скученность тока и низкое распространение тока. Следовательно, электрод p-типа должен иметь низкое контактное сопротивление на слое p-GaN и высокий коэффициент пропускания в ближней ультрафиолетовой области. Оксид индия-олова (ITO) широко используется в качестве материала для прозрачных проводящих электродов в оптоэлектронных устройствах, включая плоские дисплеи, тонкопленочные транзисторы и солнечные элементы, поскольку он обеспечивает высокую прозрачность в видимой области и хорошую электропроводность. Однако ITO страдает от нескольких проблем из-за поглощения в ультрафиолетовой области. Сообщалось о нескольких методах уменьшения поглощения света прозрачных проводящих электродов в ультрафиолетовых светодиодах. Одним из методов является использование тонкого слоя ITO с несколькими десятками нанометров. Хотя этот метод улучшает коэффициент пропускания ITO, он резко увеличивает сопротивление листа, уменьшая толщину тонких пленок ITO. Другой подход заключается в использовании прозрачных проводящих электродов на основе углерода, таких как графен и одностенные углеродные нанотрубки. Возможность прозрачных проводящих электродов на основе углерода с низким сопротивлением листа и высоким коэффициентом пропускания ульрафиолетового излучения была продемонстрирована. Однако, прежде чем углеродные прозрачные проводящие электроды могут быть широко включены в ультрафиолетовые светодиоды, необходимо решить важнейшие производственные задачи, такие как обеспечение того, чтобы пленка углеродного наноматериала имела высокое качество, была однородной и обрабатывалась способом, совместимым с изготовлением ультрафиолетовых светодиодов. В последнее время непрерывная металлическая пленка также демонстрирует высокие характеристики прозрачности широкополосного света в качестве прозрачных проводящих электродов. С другой стороны, Girtan сообщил о многослойности ITO / Ag / ITO (IAI) в качестве альтернативного прозрачного проводящего электрода. Согласно этому отчету, электрические и оптические свойствапрозрачных проводящих электродов на основе IAI могут быть улучшены путем изменения толщины слоя металла между слоями оксида. В хорошо спроектированном многослойном IAI большая разница в показателе преломления между ITO и Ag подавляет отражение от металлического слоя, который затем может стать избирательно прозрачным в видимой и ультафиолетовых областях. Тем не менее,прозрачные проводящие электроды на основе IAI в ультрафиолетовых светодиодах еще не полностью реализованы, потому что металл имеет тенденцию к агломерации во время процессов отжига, которые неизбежны при изготовлении светодиодов. Следовательно, для использования прозрачного проводящего электрода на основе IAI в ультрафиолетовых светодиодах должен быть найден способ, позволяющий IAI сохранять свои свойства после отжига. Они предлагают прозрачные проводящие электроды, основанные на многослойности IAI. Здесь они демонстрируют их высокую проводимость и высокий коэффициент пропускания, приемлемые для ультрафиолетовых светодиодов. Кроме того, мы обсуждаем возможные механизмы проводимости впрозрачных проводящих электродов на основе IAI в зависимости от температуры отжига и роль Ag в определении. Слой p-GaN ультрафиолетовых светодиодов 380 нм, использованных в этом исследовании, был выращен на сапфировых подложках c-face методом химического осаждения из паровой фазы (MOCVD). Структура УФ-светодиода состояла из низкотемпературного буферного слоя GaN толщиной 20 нм, нелегированного слоя GaN толщиной 2,6 мкм, слоя GaN толщиной 4,6 мкм и пяти слоев с множественными квантовыми ямами AlGaInN / InGaN. слой  p-типа толщиной 30 нм и слой GaN p-типа толщиной 95 нм p-типа. Перед изготовлением многослойного IAI поверхности p-GaN обезжиривали ультразвуком ацетоном, метанолом, деионизированной водой и смесью серной кислоты ( ) и перекиси водорода ( ) в течение 5 минут на каждом этапеудалить поверхностные оксиды, образовавшиеся на GaN. После этой обработки нижняя пленка ITO толщиной 15 нм была нанесена методом RF-магнетронного распыления на поверхность p-GaN при давлении 5 мТорр и 100 Вт. После осаждения нижней пленки ITO прослойка Ag толщиной 7 нм была осажденный высокочастотным магнетронным распылением на пленке ITO при давлении 2 мТорр и 100 Вт. Верхнюю пленку ITO затем наносили в тех же условиях, что и для нижней пленки ITO. Полученный многослойный IAI был отожжен в системе быстрого термического отжига (RTA) в атмосфере  в окружающем газе. Сопротивление листа многослойного IAI измеряли при комнатной температуре с использованием четырехточечного зонда. Текущие Вольт-амперные характеристики были измерены на границе раздела между IAI-TCE и p-GaN с использованием измерительной системы Keithley 4200. Морфология поверхности многослойного IMI, как функция температуры отжига, была проанализирована с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Коэффициент пропускания многослойного IAI также измеряли в диапазоне длин волн 280–800 нм с использованием ультрафиолетового / видимого спектрометра. Сначала мы исследовали сопротивление листа и удельное сопротивление многослойного IAI в зависимости от температуры отжига. На рисунке 1 показано влияние отжига на сопротивление листа и удельное сопротивление многослойного IAI. Хорошо известно, что удельное сопротивление тонких пленок ITO может сильно различаться. Тонкие пленки ITO в этом исследовании показали сопротивление листа 130 Ом ∕ кв и удельное сопротивление 1,08 ×  Ом • см. Тонкие пленки ITO в этом исследовании показали сопротивление листа 130 Ом ∕ кв и удельное сопротивление  Ом • см. Для многослойной IAI удельное сопротивление уменьшается от 9,67 ×  до 7,66 × Ом • см после отжига при температурах до 500°C; однако при температурах выше 600°С удельное сопротивление резко возрастает до 2,73 ×  Ом • см. С другой стороны, сопротивление листа снижается с 11,62 до 9,21 Ом ∕ кв при температуре отжига 500°C, что объясняется улучшенным качеством кристаллов пленок ITO и эффективной защитой от образования оксида Ag. Однако агломерация металла вызывает внезапное увеличение сопротивления листа до 32,77 Ом ∕ кв при температурах отжига выше 600 ° C.На рисунке 2 показаны типичные ВАХ IAI-TCE для слоев p-GaN в зависимости от температуры отжига. Наклон кривой I – V увеличивается с температура отжига до 500°С, после чего она уменьшается. Образец после нанесения и образцы, отожженные при 300°С, 400 ° С, 500 ° С, 600 ° С и 700 ° С, имеют текущие значения 3,7 × , 4,1 × , 4,3 ×, 4,9 ×,3,2 × и 1,6 × А при 1 В соответственно. Улучшение проводимости, наблюдаемое для образцов, отожженных при или ниже 500 ° C, согласуется с межфазной морфологией многослойного IAI, как показано на изображениях поперечного сечения ПЭМ (рис. 3). В то время как образец с осаждением показывает аморфную фазу [рис. 3 (a)], образцы, отожженные при 500 ° C, показывают повышенную кристалличность и столбчатые зерна как в слоях ITO, так и в Ag [Рис. 3 (б)]. Это помогает объяснить улучшениеэлектрических свойств. Однако рисунок 3 (с) показывает, что пленки Ag агломерируют при отжиге при 700 ° C. Рис.4. Листовое сопротивление и удельное сопротивление многослойной IAI в зависимости от температуры отжига.  |