透明ZnO電極使氮化物LED更加明亮

GaN LED是一個偉大的成功。它們創造了一個數十億美元的市場，現在被廣泛的應用，包括移動電話顯示和按鍵、小屏幕和建筑照明系統。但是，如果LED銷售繼續快速增長，這勢必會牽引出下一個有利可圖的應用，即600億美元固態照明市場。要在這個領域取得成功，需要更低廉的甚至更有效的LED，它們只能通過大容量制造技術的改進才可以獲得。

在SMI，這家基于新澤西州的皮斯卡塔韋地區的MOCVD設備制造商，我們開發了這項技術，一個與沉積ZnO電極兼容的生產方法。這些電極是透明的，當它們取代那些基于擋光金屬薄膜的電極時，LED的光輸出將增大80%。

LED設計
現在許多LED中都暴露了各種形式的金屬電極的缺點，它們通常是在透明的絕緣藍寶石襯底上制備的。在藍寶石上生長一個緩沖層，接下來便是n型GaN、多量子阱活性區域和一個很難進行高摻雜的p型層，LED就生產出來了。電極必須在LED芯片封裝之前加上去的。這種設計有希望在效率上突破，甚至能夠釋放出高達200lm/W的效率。但是，現在的LED能夠釋放的僅有這個值的一半或者更少，部分原因在于從激活區出來的光輻射很大一部分被捕獲在結構中。

第一代LED器件，例如以合金形式電極與p型層和n型層電極接觸為特征，這會阻礙或者削弱光輸出并且減小器件的輻射面積（圖1a和1b）。由于p型電極層的傳導率低，這類器件還能夠在遠離電極處產生更微弱的輻射。這兩方面的缺陷都能得到解決，通過替換表面上的金屬層以提高結構內部的電流傳播速度；但是在獲得更均衡的光輻射的同時，新電極導致的輻射衰減也跟隨而至。

薄膜電極還增加了工作在強電流狀況下被災難性燒毀的機會。增厚電極層可以降低這種危險，但同時也降低了取光（或光提取）效率。盡管一些技術，比如光子晶體的引入或者表面粗糙化能夠降低器件中的光捕獲并提高取光效率，但是這種結構的LED將不會在它們的理論最大值處工作。

處理金屬電極的固有缺點的唯一方法就是用透明的導體取代它（圖1c），錫化銦氧化物（ITO）是明顯的選擇，因為它已經被廣泛使用在平板顯示和光電設備上。使用這種材料的LED其輸出功率將提高30-50%，但是用于制作電極的沉積技術，電子束蒸發或者濺射不能穩定地獲得高質量的薄膜，這是大容量生產所面臨的一個主要問題。不過，當我們再往下看，就會發現ZnO能夠克服這個問題，并且顯示出一些其它的優勢。

還有一些制造商所做的設計完全脫離了傳統的金屬電極，取而代之采用了一個高反射鏡。這里面包括了通過藍寶石襯底進行取光的LED（圖1d）。這種方法的確減輕了p型層的電流擴散限制，也增強了LED橫斷面上光輻射的均勻性。但是，取光的效率仍是遠不理想，隨著芯片尺寸的增大，n型層中的電流擴散開始限制其性能。一些LED開發者曾經采取“鉆孔”的方法形成多種n型電極孔，但是每個新的電極孔就是一個黑點，依據光輻射傳播理論，它們會降低總的光輸出。

將反射鏡結合到倒裝結構中也是商業設計的一個特點。p型層再一次被均勻地連接，但這一次是用一個更厚的金屬層為芯片提供了機械支撐。隨后藍寶石被移走，允許直接連接n型層。這種暴露的薄膜在其表面存在高缺陷密度的緩沖層，將會產生光損失，不過這將通過拋光來克服。頂部的電極仍然是必需的，為了得到最大的取光效率，透明的電極再次使用。表面粗糙化和光子晶體結構也加入到這個陣營，它們都有助于提高取光效率。

我們剛剛描述的這些不同的LED設計都是在努力克服與金屬電極相關聯的問題。但是轉換到一種高質量、高傳導率的透明電極仍然是克服這個問題的最好方法，我們相信這個方法與光子晶體結構或者表面粗糙方法相結合，將會在最亮和最高效率的LED到來過程中扮演主要角色。

ZnO與ITO的較量
ZnO是一種理想的電極材料，因為它對整個可見光譜段都是透明的；在紫外波段，它經常被用來泵浦白光LED中的磷產生光輻射。ITO也能夠做到這些，但是ZnO還有幾個優點，包括良好的熱傳導性，與GaN較小的晶格失配以及出眾的高溫穩定性（表1）。除此之外，ZnO還能夠進行干法及濕法刻蝕，并通過鋁、銦和鎵摻雜來提高傳導性。

相對于ITO而言，ZnO的制造還有一個關鍵性的優勢，那就是更好的、可再生的生長過程。ITO是通過PVD工藝沉積的，比如MBE和電子束蒸發，或者通過濺射。所有的這些技術趨向于在不同形態的表面上產生劣質的薄膜，就象那些在LED 上表面所發現的一樣。由于上述步驟存在缺陷，產生了較差的電極可靠性從而限制了器件的成品率。ITO用MBE和電子束蒸發的方法進行大容量生產也比較困難，濺射過程實際上也損害了器件性能。

MOCVD是我們在SMI用來沉積ZnO的方法，不受表2中所有事項的影響（表2）。由于這些生長方法是通用的，它也適合大規模生產，與GaN器件的制作過程極其兼容。通過這種方法生產的LED省去了用來激活p型摻雜的后生長退火過程，因為MOCVD本身就是一個熱驅動過程。

用MOCVD生長的ZnO薄膜也會產生一系列的形貌，包括高度結晶的連續薄膜、緊密排列的晶柱和納米線列。這允許LED電極的表面具有某種特征（粗糙化），可以進一步提高抽取效率。我們已經開發了MOCVD工藝來生產三種不同類型的ZnO表面形貌，并計劃研究不同的電極形貌對LED性能產生的影響。

我們演示了ZnO電極的好處，通過利用我們自己的高速旋轉圓盤反應器在GaN外延晶片上沉積ZnO電極，反應器生產晶片的容量是38×2英寸（參看首頁，“SMI的ZnO MOCVD反應器”細節）。這些摻鋁的ZnO電極，擁有幾個百分比的厚度均勻性，沉積生長速率為10-20nm/min，最后形成了一個電阻率小于10-3Ω/cm的歐姆接觸，效果很好。

我們將這些ZnO電極的LED與經傳統的鎳金薄膜和ITO制造的兩種不同控制器件作了比較。在10-80mA的驅動電流范圍內，采用了ZnO電極的LED釋放的光輸出比用金屬和ITO的分別高出80%和30%（圖3）。在一個傳統的燒毀測試中，ZnO基LED在其壽命范圍內還產生了5倍或者更高的增益。通過加入ZnO電極，LED的功率和壽命有了很大的提高，我們會將為此申請專利來保護我們的技術。

通向更高輸出之路
這些最初的結果闡明了ZnO電極的潛力，但是，我們相信通過改變ZnO合金的帶寬，并通過結合光子晶體結構和發光體結構的直接沉積等方法，許多LED性能是可能提高的。CdZnO和MgZnO合金也能夠用MOCVD法生長，這將有助于調整電極的帶寬和光學性質以優化LED的精確設計。稀土元素，比如銩、錳和銪，也能加入到ZnO的生長過程中，利用單個或者雙沉積系統來生產發光電極。不間斷真空生長和鈍化一個光發射器無疑是一個吸引人的選擇，我們已經制作了一個簡單的結構，包含一個綠色的發光體ZnSiO:Mn，它能夠產生陰極發光、場致發光和光致發光。

我們的結果證明了ZnO電極能夠提升GaN LED的性能。我們正在和幾家公司和研究小組進行ZnO電極材料取樣工作，其中包括中國、臺灣地區、日本、韓國和美國的公司或者研究小組。我們與這些組織共同來開發能夠釋放ZnO電極優勢的方法，特別是在一些彼此完全不同的特殊器件結構上。我們希望這將推動我們的多晶片ZnO MOCVD反應器的銷售，從根本上提高包含發熒光粉透明電極和光子晶體結構的商業型LED的性能。
作者簡介
Gary Tompa是SMI公司的總裁，在1994年成立此公司。他感謝公司的SSun、GProvost、DMentel、BWillner和 NSbrockey，以及來自于Podium Photonics的Philip Chan、Keny Tong、Raymond Wong和ALee等人在ZnO的開發上所付出的努力。

參考閱讀
J O Song et al. 2003 Appl. Phys Lett. 83 479.
J H Lim et al. 2004 Appl. Phys Lett. 85 6191.
C J Tun et al. 2006 Proc. SPIE 6121 287.
K Nakahara et al. 2006 Proc. SPIE 6122 79.
G S Tompa 2007 Mat. Res. Symp. Proc. 957 K09-05.