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。