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/樹脂介面的全內反射(TIR)捕獲在LED晶片內，導致光提取效率較低。透過在氧化銦錫電極表面上形成奈米尺度的圖案，可以有效地降低該介面處的全內反射，該圖案的尺寸小於發射光的波長，以允許更多的光從發光二極體發射出去。
我們提出了一種雙層透明氧化銦錫(ITO)頂部電極方案，並演示了GaN基發光二極體光輸出功率的提高。所提出的雙層結構由具有隨機分佈的球形奈米圖案的層和預退火底層組成，所述隨機分佈的球形奈米圖案僅透過無掩模溼法蝕刻工藝獲得，所述預退火底層用於保持電極的電流擴散。觀察到表面形貌和光電效能取決於蝕刻持續時間。該電極顯著提高了氮化鎵基發光二極體的光輸出功率，增強因子為2.18在100毫安時，與參考發光二極體相比，電氣效能沒有下降。
實驗
為了比較本方法中的光提取效率，我們製備了具有如下三種類型ITO電極的發光二極體：(1)初始厚度為400奈米的單層電極(表示為SL400)；(2)初始厚度為800奈米的單層電極(表示為SL800)；（3）雙層電極，具有初始厚度為400奈米的頂層和初始厚度為400奈米的底層(表示為DL400(頂部)/400(底部))。雙層奈米結構氧化銦錫電極(DL400/400)透過首先沉積400奈米厚的底部氧化銦錫層，然後在空氣中於600℃退火1分鐘來製造，使得該層能夠抵抗後續的溼法蝕刻工藝。厚度為400奈米的第二氧化銦錫層沉積在退火的氧化銦錫層上。奈米結構的氧化銦錫層是透過將沉積的第二氧化銦錫層浸入用去離子水稀釋(1∶6)的緩衝氧化物蝕刻劑(BOE)溶液中而形成的。透過在BOE溶液中蝕刻0、20、40、60、90和120秒來控制表面奈米結構，以觀察電極形態的演變。蝕刻後，氧化銦錫層在空氣中於600℃退火1分鐘。對於單層奈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奈米結構表面。
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、摻矽氮氮化鎵、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體外延層。採用電感耦合等離子體檯面刻蝕法制作了300×300 μm晶片尺寸的藍色發光二極體器件。透過電子束蒸發沉積鈦/金(厚度為50/200奈米)層作為n型電極。p-GaN層的歐姆接觸是透過電子束蒸發將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，並且該膜隨後在純氧環境中在600℃下退火1分鐘。透過電子束蒸發在氧化銦錫透明電極上沉積鉻/金(50/200奈米)焊盤電極，完成了發光二極體結構。
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電極的發光二極體的示意圖。單層和雙層設計都具有奈米結構頂層，該頂層透過浸漬溼法蝕刻工藝圖案化，以最小化全內反射的光俘獲。對於雙層氧化銦錫，額外的緻密氧化銦錫層被預沉積並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秒後，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奈米氧化銦錫層在60秒後被蝕刻掉，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秒的最長蝕刻之後，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，並且可以透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。
由於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，所以在溼浸蝕刻之後，底部層被期望保持幾乎完整。我們透過製造發光二極體器件和增加DL400/400電極上的溼浸蝕刻時間來驗證這一點，之後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發光二極體的I-V曲線與具有未蝕刻ITO的發光二極體保持一致，即使在120秒的最長蝕刻時間之後。這表明退火的底部氧化銦錫在不犧牲器件效能的情況下，對長時間的溼浸蝕具有抵抗力。因此，新增預退火的底部氧化銦錫層是穩定電流擴散的有效方法，並且有助於防止操作期間的電退化。
總結
我們已經展示了雙層奈米結構的ITO透明電極的製造，透過簡單的無掩模浸漬溼法蝕刻工藝圖案化，有效地提高了氮化鎵基藍色發光二極體的光提取效率。雙層氧化銦錫電極的特點是具有最佳化表面奈米圖案的奈米結構頂層，以大大減少發光二極體器件中的光截留，以及充當穩定電流擴散層的緻密底層。DL400/400 ITO電極發光二極體在100毫安時的光輸出功率是參考發光二極體的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，並且沒有觀察到薄層電阻的顯著退化。雙層氧化銦錫設計和製造工藝可以有效地提高氮化鎵藍色發光二極體的光提取效率，而不犧牲其電效能。奈米圖案化透過1至2分鐘的可控溼浸蝕時間來完成，並且在高溫爐中的退火時間(1分鐘)比生長奈米線所需的時間短得多，生長奈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於高亮度藍光發光二極體，並有可能促進藍光發光二極體在市場上的推廣。
