增强UV LED的透明导电性新方法

ITO跟有什么关系?

ITO是一种透明的电极材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。目前ITO膜主要是为了提高LED的出光效率。

Burstein-Moss效应是什么?

Burstein-Moss效应：当半导体重掺杂时，费米能级进入导带，本征光吸收边向高能方向移动的现象。

在普通掺杂的半导体中，费米能级位于导带与价带之间。当n型掺杂浓度上升时，由于电子在导带中集聚，费米能级会慢慢被推到导带之中(可以简单的理解成冰块(费米能级)被增加的水(电子)推到高位)。

什么是前躯体(precursor)?

前躯体指的是用来合成、制备其他物质的经过特殊处理的配合材料。

日前中山大学的研究人员发明了一种采用金属有机气相沉积(MOCVD)制备LED结构中氧化铟锡膜(ITO)的工艺，这种方法可以有效的增强UV LED的透明导电特性。

通常UV LED按照波长分为UVA UVB UVC三种类型。目前主要用于水纯净化、生物灭菌消毒、医用诊疗、紫外治疗等领域。

研究过程

尽管ITO 在可视光谱区域里是一种透明导电层材料，但是对于紫外区域，ITO的透明特性就会逐渐降低。

因此，中山大学团队设法使用MOCVD技术将光学禁带的宽度拓宽到4.7eV。该禁带所激发出的光子波长正好在紫外区域内(364nm)。

通常UV LED按照波长分为UVA UVB UVC三种类型。目前主要用于水纯净化、生物灭菌消毒、医用诊疗、紫外治疗等领域。

图1 90nm MOCVD工艺ITO膜的光电特性

(a)锡流速(Sn flow rate)对于电子密度和迁移率的影响

(b)MOCVD工艺ITO膜中的UV可见光透过率与不同的锡流速。

(c)不同工艺下的ITO光学禁带对比

中山大学团队首先在蓝宝石表面使用MOCVD技术(生长环境温度为500°C左右)生长90nm ITO膜，前躯体为三甲基铟(trimethyl indium)、四甲基锡(tetrakis-dimethylamino tin)、以及氧氩混合气体。最终所得的材料表面附有类金字塔形状(100)和三角形形状(111)的颗粒。

经过多次研究实验，研究人员发现前躯体的添加速度控制在每分钟350立方厘米会达到最高的自由电子密度(2.15x1021/cm3)。同时，光学禁带宽度会达到4.70eV。通常氧化铟(In2O3无前躯体)的电子密度仅仅为1.47x1019/cm3，禁带宽度为3.72eV。

这种禁带宽度的不同主要来自Burstein-Moss效应的影响，此时部分自由电子集聚于低位导带(conduction band)中，因此需要更多的光子能量将电子从价带(valence band)中激发出来。研究人员表示使用该方法将禁带宽度拓宽了0.98eV，这种接近1eV的提升是及其少见的。

同时，研究人员还认为MOCVD工艺能够改良晶格畸变问题(Lattice distortion)，晶格畸变是造成ITO窄禁带宽度的一种原因。

图2 LED的外延结构

通常，相比起MOCVD工艺，磁控溅射工艺也可以制作120nm的透光导电层。这种工艺采用氧化锡(SnO2)与氧化铟(In2O3 )混合物，其成分比例控制在1：9。磁控溅射的材料需要在550°C进行退火处理，并放置于氮气环境中5分钟。

通过分析光谱，此时UV LED的峰值波长为368nm(图3a)。在这种波长下，磁控溅射工艺ITO膜的透过率为86%，MOCVD工艺ITO膜的透过率为95%。 然而磁控溅射工艺ITO膜的电阻率小于使用MOCVD工艺的ITO膜， 磁控溅射工艺的接触电阻更大。

图3 120nm MOCVD ITO膜和磁控溅射ITO膜的光电特性

(a)蓝宝石衬底上120nm MOCVD ITO膜和磁控溅射ITO膜的传导率，以及采用MOCVD ITO膜的LED发光光谱

(b)采用两种工艺ITO膜的LED电流电压特性曲线

(c)输出功率与电流的特性曲线

结论

MOCVD工艺的ITO膜能够分别在350mA和600mA的电流条件下，增加输出功率11.4%和14.8%(图3c)。经过多个样品测试，在350mA的工作电流下，平均工作电压为3.45V。采用了以上两种工艺ITO膜的LED电流电压曲线几乎完全相同(图3b)。