中科大孙海定课题组利用衬底斜切角调控量子阱实现三维载流子束缚,突破紫外LED性能

By | 2020年7月25日

  紫内线尽管正在太阳光中能量占比仅5%,但却宽泛使用于人类生存。今朝紫外光使用包罗印刷固化、钱币防伪、皮肤病医治、动物成长光照、毁坏微生物如细菌、病毒平分子构造,因而宽泛使用于空气杀菌、水体污染以及固体外表除了菌消毒等畛域。

  传统的紫外光源普通是采纳汞蒸气放电的激起态来孕育发生紫内线,有着功耗高、发烧量年夜、寿命短、反响慢、有平安隐患等诸多缺点。新型的深紫外光源则采纳发光二极管(light emitting diode: LED)发光原理,绝对于传统的汞灯领有诸多的优点。此中最为首要劣势的正在于其没有含有毒汞元素。跟着《水俣条约》的施行,标记着2020年间将片面制止含有汞元素紫外灯的应用,因而若何能力开收回一种全新的环保、高效紫外光源,成了摆正在人们背后的一项首要应战。

  而基于宽禁带半导体资料(GaN,AlGaN)的深紫外发光二极管(deep ultraviolet LED: DUV LED)成了这一新使用的不贰抉择。这一全固态光源体系体积小、效率高,寿命长,仅仅是拇指盖巨细的芯片,就能够收回比汞灯还要强的紫外光。这此中的奥妙次要取决于III族氮化物这一种间接带隙半导体资料:导带上的电子与价带上的空穴复合,从而孕育发生光子。而光子的能量则取决于资料的禁带宽度,迷信家们则能够经过调理AlGaN这类三元化合物中的元素组分,精细地完成没有同波长的发光。但是,要想完成紫外LED的高效发光其实不老是那末容易。钻研者们发现,当电子以及空穴复应时,其实不老是肯定孕育发生光子,这一效率被称之为内量子效率(internal quantum efficiency: IQE)。

中科大孙海定课题组利用衬底斜切角调控量子阱实现三维载流子束缚,突破紫外LED性能

  中国迷信技巧年夜学微电子学院孙海定以及龙世兵课题组以及中国迷信院宁波资料所郭炜以及叶继春课题组发现,为了晋升紫外LED的IQE数值,能够经过AlGaN资料成长的衬底--蓝宝石,也就是Al2O3的斜切角调控来完成,钻研职员发现,当进步衬底的斜切角时,紫外LED外部的位错失去显著克制,器件发光强度显著进步。当斜切角衬底达到4度时,器件荧光光谱的强度晋升了一个数目级,而内量子效率也达到了破纪录的90%以上。

  与传统紫外LED构造没有同的是,这一种新型构造外部的发光层--即多层量子阱(MQW)内势阱以及势垒的厚度并非平均的。借助于高分辩透射电子显微镜,钻研职员患上以正在宏观尺度剖析仅仅只有几纳米的量子阱构造。钻研标明,正在衬底的台阶处,镓(Ga)原子会呈现凑集景象,这招致下场部的能带变窄,而且跟着薄膜的成长,富Ga以及富Al的区域会不断延长至DUV LED的外表,而且正在三维空间内呈现歪曲、弯折,构成三维的多量子阱构造。

  钻研者们称这一非凡的景象为:Al,Ga元素的相别离以及载流子局域化景象。值患上指出的是,正在铟镓氮(InGaN)基的蓝光LED体系中,In因为以及Ga其实不100%互溶,招致资料外部呈现富In以及富Ga的区域,从而孕育发生局域态,促成的载流子的辐射复合。但正在AlGaN资料体系中,Al以及Ga的相别离却很少见到。而此工作的首要意思之一就正在于工钱调理资料的成长模式,促成相别离,并因而年夜年夜改善了器件的发光特点。

  经过正在4度斜切角衬底上优化内涵成长调理,钻研职员试探到了一种最好的DUV LED构造。该构造的载流子寿命超越了1.60 ns,而传统器件中这一数值普通都低于1ns。进一步测试芯片的发光功率,科研职员发现其紫外发光功率比传统基于0.2度斜切角衬底的器件强2倍之多。这愈加确信无疑地证实了,AlGaN资料能够完成无效的相别离以及载流子局域化景象。除了此以外,试验职员还经过实践较量争论模仿了AlGaN 多量子阱外部的相别离景象和势阱、势垒厚度没有均一性对发光强度以及波长的影响,实践较量争论与试验完成了非常吻合。

  该钻研效果同时失去了华中科技年夜学戴江南以及陈长清传授,河北产业年夜学张紫辉传授,沙特阿卜杜拉国王科技年夜学Boon Ooi以及Iman Roqan传授等联结攻关实现。钻研者置信,此项钻研将会为高效率的全固态紫外光源的研发提供新的思绪。这类思绪无需低廉的图形化衬底,也没有需求复杂的内涵成长工艺。而仅仅依托衬底的斜切角的调控以及内涵成长参数的婚配以及优化,就无望将紫外LED的发光特点进步到与蓝光LED相媲美的高度,为高功率深紫外LED的年夜规模使用奠基试验以及实践根底。相干后果以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”为题,正在线宣布正在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201905445)。

编纂:严志祥

起源:中国半导体照明网