｜氧化鋅透明導電膜之原子層沉積製程與設備技術

摘要：本論文探討原子層沉積法製備銦、鎵摻雜之氧化鋅薄應用在氮化銦鎵發光二極體透明導電層對元件特性之影響。退火後之摻雜鎵之氧化鋅薄膜在發光波段450奈米之穿透率約為95.8 %，其電阻率約為4.6×10^-4 Ω-cm。而覆蓋退火後之鎵摻雜氧化鋅薄膜之氮化銦鎵發光二極體，在順向電流20 mA下，其導通電壓約為3.5 V，而發光效率增加27.5 %。退火後之銦摻雜氧化鋅薄膜電阻率約為6×10^-4 Ω-cm。而以銦摻雜氧化鋅薄膜為透明導電層之發光二極體元件，退火後，在順向電流20 mA下測量其電壓為3.26 V，發光效率增加12.5%。

Abstract: Ga and In-doped ZnO films were prepared by atomic layer deposition (ALD), and were employed to serve as the transparent conductive layers (TCLs) in the InGaN-based light-emitting diodes (LEDs). It was found that the ALD-grown Ga and In-doped ZnO films exhibited a low resistivity at mid 10^-4 Ω-cm and high optical transparency (~ 90 % at 450 nm) after they were properly annealed. InGaN-based LEDs having annealed In or Ga-doped ZnO TCL were found to show increased light extraction of 12.5 ~ 27.5 % under a forward current of 20 mA with forward voltages of 3.26 ~ 3.5 V.

關鍵詞：原子層沉積、透明導電層、氧化鋅

Keywords：Atomic Layer Deposition, ALD, Transparent Conductive Layer, TCL, zinc oxide, ZnO

前言
近年來，節能減碳與綠能環保的大力提倡下，高耗能或具污染性的光源逐漸被淘汰，發光二極體（light-emitting diodes, LEDs）因環保無汞、體積小、耗能低及色域豐富等優勢，已被廣泛地應用在平面顯示器、交通號誌、面板背光源及固態照明等裝置上[1]。而目前固態照明多以氮化銦鎵（InGaN-based）發光二極體激發螢光粉（phosphor）混合色光以發射出白色光[2]，因此氮化銦鎵發光二極體發光效率的持續提升，是影響固態照明發展上一個重要關鍵。氮化銦鎵發光二極體受限於p-型氮化鎵（p-type GaN, p-GaN）的電洞（hole）濃度無法有效提升，導致p-型氮化鎵電阻率過高，電流擴散不易，影響氮化銦鎵發光二極體的發光效率。而目前應用透明導電層（transparent conductive layer, TCL）於氮化銦鎵發光二極體上已可有效使電流均勻擴散，增加發光面積，降低電流侷限，增加發光二極體的發光效率。此外氧化鋅（zinc oxide, ZnO）為寬能隙（wide band gap）半導體於可見光波段可穿透，且具備可低溫成膜及化學穩定性高等優點，使氧化鋅成為近年來被廣泛研究的透明導電氧化物（transparent conductive oxide, TCO）。

透明導電層在氮化銦鎵發光二極體上應用之發展
氮化銦鎵發光二極體受限於p-型氮化鎵電洞濃度無法有效提升，須藉由透明導電層幫助電流擴散，以增加發光效率。傳統以鎳/金（Ni/Au）金屬薄膜做為p-型氮化鎵上之歐姆接觸透明導電層，然而Ni/Au金屬薄膜在可見光範圍下穿透率不高（~70 %） [3-4]，光萃取率（light extraction efficiency）的減少進而降低外部量子效率（external quantum efficiency）。為了有效提高光萃取率，在可見光範圍下擁有高穿透率及良好導電率的透明導電氧化物開始被研究。目前氧化銦錫已廣泛地被使用在發光二極體上做為透明導電層[5-7]。然而銦在自然界中屬於稀有元素，含量短少，價格昂貴，且其應用在發光二極體上於高溫下操作熱穩定差[8]，因此人們開始尋求替代的材料。氧化鋅為寬能隙半導體（3.37 eV），在可見光範圍下有高穿透率，且經過適當摻雜之氧化鋅具有低電阻率，而鋅在自然界中資源豐富，價格相對氧化銦錫便宜，且氧化鋅本身亦無毒性，在高溫下熱穩定性佳[9]等優點，因此近年來氧化鋅透明導電薄膜應用於氮化銦鎵發光二極體上開始被研究。