增強UV LED的透明導電性新方法

ITO跟有什么關系?

ITO是一種透明的電極材料，具有高的導電率、高的可見光透過率、高的機械硬度和良好的化學穩定性。目前ITO膜主要是為了提高LED的出光效率。

Burstein-Moss效應是什么?

Burstein-Moss效應：當半導體重摻雜時，費米能級進入導帶，本征光吸收邊向高能方向移動的現象。

在普通摻雜的半導體中，費米能級位于導帶與價帶之間。當n型摻雜濃度上升時，由于電子在導帶中集聚，費米能級會慢慢被推到導帶之中(可以簡單的理解成冰塊(費米能級)被增加的水(電子)推到高位)。

什么是前軀體(precursor)?

前軀體指的是用來合成、制備其他物質的經過特殊處理的配合材料。

日前中山大學的研究人員發明了一種采用金屬有機氣相沉積(MOCVD)制備LED結構中氧化銦錫膜(ITO)的工藝，這種方法可以有效的增強UV LED的透明導電特性。

通常UV LED按照波長分為UVA UVB UVC三種類型。目前主要用于水純凈化、生物滅菌消毒、醫用診療、紫外治療等領域。

研究過程

盡管ITO 在可視光譜區域里是一種透明導電層材料，但是對于紫外區域，ITO的透明特性就會逐漸降低。

因此，中山大學團隊設法使用MOCVD技術將光學禁帶的寬度拓寬到4.7eV。該禁帶所激發出的光子波長正好在紫外區域內(364nm)。

通常UV LED按照波長分為UVA UVB UVC三種類型。目前主要用于水純凈化、生物滅菌消毒、醫用診療、紫外治療等領域。

圖1 90nm MOCVD工藝ITO膜的光電特性

(a)錫流速(Sn flow rate)對于電子密度和遷移率的影響

(b)MOCVD工藝ITO膜中的UV可見光透過率與不同的錫流速。

(c)不同工藝下的ITO光學禁帶對比

中山大學團隊首先在藍寶石表面使用MOCVD技術(生長環境溫度為500°C左右)生長90nm ITO膜，前軀體為三甲基銦(trimethyl indium)、四甲基錫(tetrakis-dimethylamino tin)、以及氧氬混合氣體。最終所得的材料表面附有類金字塔形狀(100)和三角形形狀(111)的顆粒。

經過多次研究實驗，研究人員發現前軀體的添加速度控制在每分鐘350立方厘米會達到最高的自由電子密度(2.15x1021/cm3)。同時，光學禁帶寬度會達到4.70eV。通常氧化銦(In2O3無前軀體)的電子密度僅僅為1.47x1019/cm3，禁帶寬度為3.72eV。

這種禁帶寬度的不同主要來自Burstein-Moss效應的影響，此時部分自由電子集聚于低位導帶(conduction band)中，因此需要更多的光子能量將電子從價帶(valence band)中激發出來。研究人員表示使用該方法將禁帶寬度拓寬了0.98eV，這種接近1eV的提升是及其少見的。

同時，研究人員還認為MOCVD工藝能夠改良晶格畸變問題(Lattice distortion)，晶格畸變是造成ITO窄禁帶寬度的一種原因。

圖2 LED的外延結構

通常，相比起MOCVD工藝，磁控濺射工藝也可以制作120nm的透光導電層。這種工藝采用氧化錫(SnO2)與氧化銦(In2O3 )混合物，其成分比例控制在1：9。磁控濺射的材料需要在550°C進行退火處理，并放置于氮氣環境中5分鐘。

通過分析光譜，此時UV LED的峰值波長為368nm(圖3a)。在這種波長下，磁控濺射工藝ITO膜的透過率為86%，MOCVD工藝ITO膜的透過率為95%。 然而磁控濺射工藝ITO膜的電阻率小于使用MOCVD工藝的ITO膜， 磁控濺射工藝的接觸電阻更大。

圖3 120nm MOCVD ITO膜和磁控濺射ITO膜的光電特性

(a)藍寶石襯底上120nm MOCVD ITO膜和磁控濺射ITO膜的傳導率，以及采用MOCVD ITO膜的LED發光光譜

(b)采用兩種工藝ITO膜的LED電流電壓特性曲線

(c)輸出功率與電流的特性曲線

結論

MOCVD工藝的ITO膜能夠分別在350mA和600mA的電流條件下，增加輸出功率11.4%和14.8%(圖3c)。經過多個樣品測試，在350mA的工作電流下，平均工作電壓為3.45V。采用了以上兩種工藝ITO膜的LED電流電壓曲線幾乎完全相同(圖3b)。