增強(qiáng)UV LED的透明導(dǎo)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(dǎo)電率、高的可見光透過(guò)率、高的機(jī)械硬度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。目前ITO膜主要是為了提高LED的出光效率。

Burstein-Moss效應(yīng)是什么?

Burstein-Moss效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體重?fù)诫s時(shí)，費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶，本征光吸收邊向高能方向移動(dòng)的現(xiàn)象。

在普通摻雜的半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶與價(jià)帶之間。當(dāng)n型摻雜濃度上升時(shí)，由于電子在導(dǎo)帶中集聚，費(fèi)米能級(jí)會(huì)慢慢被推到導(dǎo)帶之中(可以簡(jiǎn)單的理解成冰塊(費(fèi)米能級(jí))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(jī)氣相沉積(MOCVD)制備LED結(jié)構(gòu)中氧化銦錫膜(ITO)的工藝，這種方法可以有效的增強(qiáng)UV LED的透明導(dǎo)電特性。

通常UV LED按照波長(zhǎng)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(yī)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(qū)域里是一種透明導(dǎo)電層材料，但是對(duì)于紫外區(qū)域，ITO的透明特性就會(huì)逐漸降低。

因此，中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)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(zhǎng)正好在紫外區(qū)域內(nèi)(364nm)。

通常UV LED按照波長(zhǎng)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(yī)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(duì)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(guò)率與不同的錫流速。

(c)不同工藝下的ITO光學(xué)禁帶對(duì)比

中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)首先在藍(lán)寶石表面使用MOCVD技術(shù)(生長(zhǎng)環(huán)境溫度為500°C左右)生長(zhǎng)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(jīng)過(guò)多次研究實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)前軀體的添加速度控制在每分鐘350立方厘米會(huì)達(dá)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(dá)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(yīng)的影響，此時(shí)部分自由電子集聚于低位導(dǎo)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的提升是及其少見的。

同時(shí)，研究人員還認(rèn)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(jié)構(gòu)

通常，相比起MOCVD工藝，磁控濺射工藝也可以制作120nm的透光導(dǎo)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?dú)猸h(huán)境中5分鐘。

通過(guò)分析光譜，此時(shí)UV LED的峰值波長(zhǎng)為368nm(圖3a)。在這種波長(zhǎng)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(lán)寶石襯底上120nm MOCVD ITO膜和磁控濺射ITO膜的傳導(dǎo)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

(c)輸出功率與電流的特性曲線

結(jié)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(cè)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)。