ITO跟LED有什么关系？

ITO是一种透明的电极材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。目前ITO膜主要是为了提高LED的出光效率。

Burstein－Moss效应是什么？

Burstein－Moss效应：当半导体重掺杂时，费米能级进入导带，本征光吸收边向高能方向移动的现象。

在普通掺杂的半导体中，费米能级位于导带与价带之间。当n型掺杂浓度上升时，由于电子在导带中集聚，费米能级会慢慢被推到导带之中（可以简单的理解成冰块（费米能级）被增加的水（电子）推到高位）。

什么是前躯体（precursor）？

前躯体指的是用来合成、制备其他物质的经过特殊处理的配合材料。

日前中山大学的研究人员发明了一种采用金属有机气相沉积（MOCVD）制备LED结构中氧化铟锡膜（ITO）的工艺，这种方法可以有效的增强UV LED的透明导电特性。

通常UV LED按照波长分为UVA UVB UVC三种类型。目前主要用于水纯净化、生物灭菌消毒、医用诊疗、紫外治疗等领域。

研究过程

尽管ITO 在可视光谱区域里是一种透明导电层材料，但是对于紫外区域，ITO的透明特性就会逐渐降低。

因此，中山大学团队设法使用MOCVD技术将光学禁带的宽度拓宽到4．7eV。该禁带所激发出的光子波长正好在紫外区域内（364nm）。

通常UV LED按照波长分为UVA UVB UVC三种类型。目前主要用于水纯净化、生物灭菌消毒、医用诊疗、紫外治疗等领域。

图1  90nm MOCVD工艺ITO膜的光电特性

（a）锡流速（Sn flow rate）对于电子密度和迁移率的影响

（b）MOCVD工艺ITO膜中的UV可见光透过率与不同的锡流速。

（c）不同工艺下的ITO光学禁带对比

中山大学团队首先在蓝宝石表面使用MOCVD技术（生长环境温度为500°C左右）生长90nm ITO膜，前躯体为三甲基铟（trimethyl indium）、四甲基锡（tetrakis－dimethylamino tin）、以及氧氩混合气体。最终所得的材料表面附有类金字塔形状（100）和三角形形状（111）的颗粒。

经过多次研究实验，研究人员发现前躯体的添加速度控制在每分钟350立方厘米会达到最高的自由电子密度（2．15x1021／cm3）。同时，光学禁带宽度会达到4．70eV。通常氧化铟（In2O3无前躯体）的电子密度仅仅为1．47x1019／cm3，禁带宽度为3．72eV。

这种禁带宽度的不同主要来自Burstein－Moss效应的影响，此时部分自由电子集聚于低位导带（conduction band）中，因此需要更多的光子能量将电子从价带（valence band）中激发出来。研究人员表示使用该方法将禁带宽度拓宽了0．98eV，这种接近1eV的提升是及其少见的。

同时，研究人员还认为MOCVD工艺能够改良晶格畸变问题（Lattice distortion），晶格畸变是造成ITO窄禁带宽度的一种原因。

图2 LED的外延结构

通常，相比起MOCVD工艺，磁控溅射工艺也可以制作120nm的透光导电层。这种工艺采用氧化锡（SnO2）与氧化铟（In2O3 ）混合物，其成分比例控制在1：9。磁控溅射的材料需要在550°C进行退火处理，并放置于氮气环境中5分钟。

通过分析光谱，此时UV LED的峰值波长为368nm（图3a）。在这种波长下，磁控溅射工艺ITO膜的透过率为86％，MOCVD工艺ITO膜的透过率为95％。 然而磁控溅射工艺ITO膜的电阻率小于使用MOCVD工艺的ITO膜， 磁控溅射工艺的接触电阻更大。

图3 120nm MOCVD ITO膜和磁控溅射ITO膜的光电特性

（a）蓝宝石衬底上120nm MOCVD ITO膜和磁控溅射ITO膜的传导率，以及采用MOCVD ITO膜的LED发光光谱

（b）采用两种工艺ITO膜的LED电流电压特性曲线

（c）输出功率与电流的特性曲线

结论

MOCVD工艺的ITO膜能够分别在350mA和600mA的电流条件下，增加输出功率11．4％和14．8％（图3c）。经过多个样品测试，在350mA的工作电流下，平均工作电压为3．45V。采用了以上两种工艺ITO膜的LED电流电压曲线几乎完全相同（图3b）。