透明ZnO电极使氮化物LED更加明亮

GaN LED是一个伟大的成功。它们创造了一个数十亿美元的市场，现在被广泛的应用，包括移动电话显示和按键、小屏幕和建筑照明系统。但是，如果LED销售继续快速增长，这势必会牵引出下一个有利可图的应用，即600亿美元固态照明市场。要在这个领域取得成功，需要更低廉的甚至更有效的LED，它们只能通过大容量制造技术的改进才可以获得。

在SMI，这家基于新泽西州的皮斯卡塔韦地区的MOCVD设备制造商，我们开发了这项技术，一个与沉积ZnO电极兼容的生产方法。这些电极是透明的，当它们取代那些基于挡光金属薄膜的电极时，LED的光输出将增大80%。

LED设计
现在许多LED中都暴露了各种形式的金属电极的缺点，它们通常是在透明的绝缘蓝宝石衬底上制备的。在蓝宝石上生长一个缓冲层，接下来便是n型GaN、多量子阱活性区域和一个很难进行高掺杂的p型层，LED就生产出来了。电极必须在LED芯片封装之前加上去的。这种设计有希望在效率上突破，甚至能够释放出高达200lm/W的效率。但是，现在的LED能够释放的仅有这个值的一半或者更少，部分原因在于从激活区出来的光辐射很大一部分被捕获在结构中。 

第一代LED器件，例如以合金形式电极与p型层和n型层电极接触为特征，这会阻碍或者削弱光输出并且减小器件的辐射面积（图1a和1b）。由于p型电极层的传导率低，这类器件还能够在远离电极处产生更微弱的辐射。这两方面的缺陷都能得到解决，通过替换表面上的金属层以提高结构内部的电流传播速度；但是在获得更均衡的光辐射的同时，新电极导致的辐射衰减也跟随而至。

薄膜电极还增加了工作在强电流状况下被灾难性烧毁的机会。增厚电极层可以降低这种危险，但同时也降低了取光（或光提取）效率。尽管一些技术，比如光子晶体的引入或者表面粗糙化能够降低器件中的光捕获并提高取光效率，但是这种结构的LED将不会在它们的理论最大值处工作。

处理金属电极的固有缺点的唯一方法就是用透明的导体取代它（图1c），锡化铟氧化物（ITO）是明显的选择，因为它已经被广泛使用在平板显示和光电设备上。使用这种材料的LED其输出功率将提高30-50%，但是用于制作电极的沉积技术，电子束蒸发或者溅射不能稳定地获得高质量的薄膜，这是大容量生产所面临的一个主要问题。不过，当我们再往下看，就会发现ZnO能够克服这个问题，并且显示出一些其它的优势。

还有一些制造商所做的设计完全脱离了传统的金属电极，取而代之采用了一个高反射镜。这里面包括了通过蓝宝石衬底进行取光的LED（图1d）。这种方法的确减轻了p型层的电流扩散限制，也增强了LED横断面上光辐射的均匀性。但是，取光的效率仍是远不理想，随着芯片尺寸的增大，n型层中的电流扩散开始限制其性能。一些LED开发者曾经采取“钻孔”的方法形成多种n型电极孔，但是每个新的电极孔就是一个黑点，依据光辐射传播理论，它们会降低总的光输出。

将反射镜结合到倒装结构中也是商业设计的一个特点。p型层再一次被均匀地连接，但这一次是用一个更厚的金属层为芯片提供了机械支撑。随后蓝宝石被移走，允许直接连接n型层。这种暴露的薄膜在其表面存在高缺陷密度的缓冲层，将会产生光损失，不过这将通过抛光来克服。顶部的电极仍然是必需的，为了得到最大的取光效率，透明的电极再次使用。表面粗糙化和光子晶体结构也加入到这个阵营，它们都有助于提高取光效率。

我们刚刚描述的这些不同的LED设计都是在努力克服与金属电极相关联的问题。但是转换到一种高质量、高传导率的透明电极仍然是克服这个问题的最好方法，我们相信这个方法与光子晶体结构或者表面粗糙方法相结合，将会在最亮和最高效率的LED到来过程中扮演主要角色。

ZnO与ITO的较量
ZnO是一种理想的电极材料，因为它对整个可见光谱段都是透明的；在紫外波段，它经常被用来泵浦白光LED中的磷产生光辐射。ITO也能够做到这些，但是ZnO还有几个优点，包括良好的热传导性，与GaN较小的晶格失配以及出众的高温稳定性（表1）。除此之外，ZnO还能够进行干法及湿法刻蚀，并通过铝、铟和镓掺杂来提高传导性。

相对于ITO而言，ZnO的制造还有一个关键性的优势，那就是更好的、可再生的生长过程。ITO是通过PVD工艺沉积的，比如MBE和电子束蒸发，或者通过溅射。所有的这些技术趋向于在不同形态的表面上产生劣质的薄膜，就象那些在LED 上表面所发现的一样。由于上述步骤存在缺陷，产生了较差的电极可靠性从而限制了器件的成品率。ITO用MBE和电子束蒸发的方法进行大容量生产也比较困难，溅射过程实际上也损害了器件性能。

MOCVD是我们在SMI用来沉积ZnO的方法，不受表2中所有事项的影响（表2）。由于这些生长方法是通用的，它也适合大规模生产，与GaN器件的制作过程极其兼容。通过这种方法生产的LED省去了用来激活p型掺杂的后生长退火过程，因为MOCVD本身就是一个热驱动过程。

用MOCVD生长的ZnO薄膜也会产生一系列的形貌，包括高度结晶的连续薄膜、紧密排列的晶柱和纳米线列。这允许LED电极的表面具有某种特征（粗糙化），可以进一步提高抽取效率。我们已经开发了MOCVD工艺来生产三种不同类型的ZnO表面形貌，并计划研究不同的电极形貌对LED性能产生的影响。

我们演示了ZnO电极的好处，通过利用我们自己的高速旋转圆盘反应器在GaN外延晶片上沉积ZnO电极，反应器生产晶片的容量是38×2英寸（参看首页，“SMI的ZnO MOCVD反应器”细节）。这些掺铝的ZnO电极，拥有几个百分比的厚度均匀性，沉积生长速率为10-20nm/min，最后形成了一个电阻率小于10-3Ω/cm的欧姆接触，效果很好。

我们将这些ZnO电极的LED与经传统的镍金薄膜和ITO制造的两种不同控制器件作了比较。在10-80mA的驱动电流范围内，采用了ZnO电极的LED释放的光输出比用金属和ITO的分别高出80%和30%（图3）。在一个传统的烧毁测试中，ZnO基LED在其寿命范围内还产生了5倍或者更高的增益。通过加入ZnO电极，LED的功率和寿命有了很大的提高，我们会将为此申请专利来保护我们的技术。

通向更高输出之路
这些最初的结果阐明了ZnO电极的潜力，但是，我们相信通过改变ZnO合金的带宽，并通过结合光子晶体结构和发光体结构的直接沉积等方法，许多LED性能是可能提高的。CdZnO和MgZnO合金也能够用MOCVD法生长，这将有助于调整电极的带宽和光学性质以优化LED的精确设计。稀土元素，比如铥、锰和铕，也能加入到ZnO的生长过程中，利用单个或者双沉积系统来生产发光电极。不间断真空生长和钝化一个光发射器无疑是一个吸引人的选择，我们已经制作了一个简单的结构，包含一个绿色的发光体ZnSiO:Mn，它能够产生阴极发光、场致发光和光致发光。

我们的结果证明了ZnO电极能够提升GaN LED的性能。我们正在和几家公司和研究小组进行ZnO电极材料取样工作，其中包括中国、台湾地区、日本、韩国和美国的公司或者研究小组。我们与这些组织共同来开发能够释放ZnO电极优势的方法，特别是在一些彼此完全不同的特殊器件结构上。我们希望这将推动我们的多晶片ZnO MOCVD反应器的销售，从根本上提高包含发荧光粉透明电极和光子晶体结构的商业型LED的性能。
作者简介
Gary Tompa是SMI公司的总裁，在1994年成立此公司。他感谢公司的SSun、GProvost、DMentel、BWillner和 NSbrockey，以及来自于Podium Photonics的Philip Chan、Keny Tong、Raymond Wong和ALee等人在ZnO的开发上所付出的努力。

参考阅读
J O Song et al. 2003 Appl. Phys Lett. 83 479.
J H Lim et al. 2004 Appl. Phys Lett. 85 6191.
C J Tun et al. 2006 Proc. SPIE 6121 287.
K Nakahara et al. 2006 Proc. SPIE 6122 79.
G S Tompa 2007 Mat. Res. Symp. Proc. 957 K09-05.

SMI的ZnO MOCVD反应器
Structured Materials Industries公司生产ZnO反应器的特征为：高速旋转的圆盘具有各种各样的尺寸，分别为1×1、1×2、3×2、6×2、8×2、19×2和38×2英寸。这些可旋转的CVD设备使用一个均匀加热的沉积平台来生长大面积的均匀薄膜，薄膜的沉积速率为每分钟10-20nm。
这种均匀的薄膜沉积来自于四带加热系统，它与高温、热膨胀和氧化环境等关联ZnO生长的条件相兼容。利用这种设计，最大的反应器也能够在晶片上获得均匀的温度，晶片温度不均匀性不超过1%，能够产生的掺杂和未掺杂薄膜，其厚度变化幅度低于4%，而且即使是一个炉中出来的晶片，片与片之间的厚度不均匀性低于5%。
LED电极的ZnO生长条件为：生长压力为0.05个大气压；温度范围从450℃到650℃；二乙基锌、三甲基铝和氧气的流速分别是80、15和200标准立方厘米每分钟（sccm），用来提供Zn源、Al掺杂剂和O源。氩气的流速范围从4000到7000sccm，用来作为惰性运载气体。将源材料按照一个呈放射形状分布进行均匀注入，采用方向向下的运输气流，从而获得了高质量的薄膜生长。
图. 电阻加热被用在反应器中，伴随着旋转速度为每分钟上百个的圆盘。这个多晶片生长设备能够在硅、石英和GaN上沉积ZnO。