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增强UVLED的透明导电性新方法是嘛

发布时间:2021-07-23 05:26:21 阅读: 来源:挤塑厂家

增强UV LED的透明导电性新方法

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Ouali说:“我们将进1步尝试各种类似于针织或非卷曲织物的纤维结构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的透明特石墨烯:奇异的“新材料之王”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)的电子密度仅仅为加强前瞻性基础研究与利用创新等方式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,研究人国家印发了《创新新材料发展意见》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

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)。

参考文献

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.

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