ITO跟LED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(jiàn)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

　?。╝）錫流速（Sn flow rate）對(duì)于電子密度和遷移率的影響

　?。╞）MOCVD工藝ITO膜中的UV可見(jiàn)光透過(guò)率與不同的錫流速。

　?。╟）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(jiàn)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

　?。╝）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

　?。╟）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）。

　　參考文獻(xiàn)

　　Chen， Z．， Zhuo， Y．， Tu， W．， Ma， X．， Pei， Y．， Wang， C．， ＆ Wang， G． （2017）． Highly ultraviolet transparent textured indium tin oxide thin films and the application in light emitting diodes． Applied Physics Letters， 110（24）， 242101． https：／／doi．org／10．1063／1．4986452