增強UV LED的透明導電性新方法

ITO跟有什么關(guān)系?

ITO是一種透明的電極材料，具有高的導電率、高的可見(jiàn)光透過(guò)率、高的機械硬度和良好的化學(xué)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(shí)，費米能級進(jìn)入導帶，本征光吸收邊向高能方向移動(dòng)的現象。

在普通摻雜的半導體中，費米能級位于導帶與價(jià)帶之間。當n型摻雜濃度上升時(shí)，由于電子在導帶中集聚，費米能級會(huì )慢慢被推到導帶之中(可以簡(jiǎn)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(lái)合成、制備其他物質(zhì)的經(jīng)過(guò)特殊處理的配合材料。

日前中山大學(xué)的研究人員發(fā)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(cháng)分為UVA UVB UVC三種類(lèi)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(lǐng)域。

研究過(guò)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(huì )逐漸降低。

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

通常UV LED按照波長(cháng)分為UVA UVB UVC三種類(lèi)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(lǐng)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(jiàn)光透過(guò)率與不同的錫流速。

(c)不同工藝下的ITO光學(xué)禁帶對比

中山大學(xué)團隊首先在藍寶石表面使用MOCVD技術(shù)(生長(cháng)環(huán)境溫度為500°C左右)生長(cháng)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(lèi)金字塔形狀(100)和三角形形狀(111)的顆粒。

經(jīng)過(guò)多次研究實(shí)驗，研究人員發(fā)現前軀體的添加速度控制在每分鐘350立方厘米會(huì )達到最高的自由電子密度(2.15x1021/cm3)。同時(shí)，光學(xué)禁帶寬度會(huì )達到4.70eV。通常氧化銦(In2O3無(wú)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(lái)自Burstein-Moss效應的影響，此時(shí)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(jià)帶(valence band)中激發(fā)出來(lái)。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(jiàn)的。

同時(shí)，研究人員還認為MOCVD工藝能夠改良晶格畸變問(wèn)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(jìn)行退火處理，并放置于氮氣環(huán)境中5分鐘。

通過(guò)分析光譜，此時(shí)UV LED的峰值波長(cháng)為368nm(圖3a)。在這種波長(cháng)下，磁控濺射工藝ITO膜的透過(guò)率為86%，MOCVD工藝ITO膜的透過(guò)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(fā)光光譜

(b)采用兩種工藝ITO膜的LED電流電壓特性曲線(xiàn)

(c)輸出功率與電流的特性曲線(xiàn)

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(jīng)過(guò)多個(gè)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(xiàn)幾乎完全相同(圖3b)。