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《智能“光”点》第三期 | 吕家东:深紫外LED的技术挑战与进展

吕家东2022-10-13 10:14:132592 阅读

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本期作者

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吕家东

东南大学电光源研究中心主任

新型光源技术与装备教育部工程研究中心常务副主任、教授

摘要: 波长≤280nm的深紫外光源有两大类,气体放电紫外光源和固态深紫外LED。气体放电紫外光源材料、制造技术相对成熟,目前占据应用市场的主导地位。深紫外LED在量子阱结构、外延材料制备工艺、内外量子效率和出光率提升等方面的研究取得了突破性进展,将逐步取代气体放电紫外光而成为商业应用领域的主流。

关键词:深紫外LED;半导体材料;A1GaN基;高A1组分;功率效率;内/外量子效率

1 技术背景

200<波长λ≤280nm深紫外(DUV)光源根据发光机理分为气体放电类紫外光源和固体类紫外发光二极管(DUV-LED),因其在激发光源、杀菌消毒、净化环境等诸多超越照明领域的应用而备受关注。基于DUV-LED的功率效率(WPE)较低,难以得到广泛市场应用,气体放电深紫外光源仍然占据市场主导地位。Ga N半导体材料的深紫外LED有着长寿命、低电压、谱线单一、无汞环保、坚固耐震、体积小重量轻诸多优点,且技术进展引人注目,将逐步取代气体放电紫外光源而成为应用领域的主流。

图1为国内外研究单位在深紫外LED功率效率(WPE)最新的研究成果。图表显示260<波长λ≤280nm的 DUV-LED的功率效率多数在5%左右,少数接近10%,深紫外LED功率效率(WPE)低已成为世界性难题,制约了深紫外LED产业化进程和商业化的规模应用。

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图1  DUV-LED的功率效率(WPE)

2 技术挑战

深紫外LED的外延生长和器件制作涉及到专用材料生长设备(MOCVD)、量子结构设计、先进制备技术等诸多科学问题和工程技术问题。

2.1  挑战一:AlGaN外延生长专用MOCVD

GaN材料对于有源区发出的波长小于360nm的紫外光有强烈的吸收,导致DUV-LED器件的光提取效率低,而A1N模板对小于360nm的紫外光是透明的,吸收紫外光低,因此在蓝宝石衬底的A1N模板上高温外延高A1组分A1GaN材料成为DUV-LED器件制备的首选。

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图2  AlGaN基DUV-LED外延结构

高A1组分A1GaN生长温度高达1400°,对炉体高温热场均匀性、稳定性有更高要求,多层热屏蔽结构需要创新设计,对新型加热材料、耐高温绝缘材料、保温材料提出新的挑战。

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图3  MOCVD反应腔、加热器                 

2.2  挑战二:低缺陷密度的高Al组分氮化物材料

表1列出了高A1组分AlGaN材料与不同衬底的晶格常数、热膨胀系数和晶格失配度。表中显示蓝宝石衬底与A1GaN材料的晶格失配和热失配大,传热性差,但不吸收深紫外光,且氮化物外延制备工艺也相对成熟,因此深紫外光外延研究大多是基于蓝宝石衬底。

表1

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晶格失配、热失配导致深紫外LED内量子效率低,失配引起的应力导致外延材料(晶圆)产生裂纹。研究结果表明(图4),当位错密度>10¹⁰/cm²时,内量子效率只有百分之几,当位错密度<10⁹/cm²量级时,280 nm DUV-LED的内量子效率会提高到40%,而要将内量子效率提高到80%以上,位错密度则要低于10⁸/cm²。

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图4 位错密度与内量子效率

2.3  挑战三:深紫外光提取效率(LEE)

GaN对深紫外光吸收严重,需要高A1组分AlGaN材料提高深紫外光透射率。深紫外光子出光角度限制了光输出率,芯片设计需在蓝宝石衬底背面制作微透镜、纳米图形结构等,调控紫外光子的传输路径,拓宽出光角度。通过新型光学结构设计提高DUV-LED器件光反射率。

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图5 深紫外DUV-LED纳米图形结构

2.4  挑战四:深紫外LED封装材料与工艺

深紫外光子能量级高,导致常规有机封装材料老化严重,寿命减小。DUV-LED器件光学结构需优化设计,进一步提高紫外光输出效率。DUV-LED器件散热结构需创新设计,采用高导热率先进材料,减缓光衰减。

3技术进展

深紫外LED研究围绕新型高效量子结构设计、量子阱极性调控技术、高电导高透射率p型AlGaN层制备技术,纳米结构深紫外波段透射等方向开展。

各国研究人员探索了各种制备技术以提升A1N和A1GaN外延材料质量。有研究小组采用脉冲原子层外延(Pulsed Atomic Layer Epitaxy)技术外延生长出高质量的A1GaN,实现了228nm-280nm深紫外光。有研究小组通过NH3脉冲多层生长A1N缓冲层技术在蓝宝石衬底上获得低缺陷密度的A1N和A1GaN外延层,实现231-273nm波段的深紫外光。有研究人员采用迁移增强外延(Migration Enhanced Epitaxy)技术优化A1N成核过程,获得了高质量的A1GaN/A1N量子阱(MQWs),其内量子效率达到36%。还有研究小组采用侧向外延(ELO)技术,在微米级沟槽型A1N/蓝宝石模板上,侧向外延ELO-A1N和ELO-A1GaN,其位错密度低于10⁷/cm²,显著提高了内量子效率。中科院半导体所通过纳米图形蓝宝石衬底(Nano-Patterned Sapphire Substrate)外延,使A1N模板表面达到原子级平整度,在A1N模板上外延的283 nm DUV量子阱与普通平面蓝宝石衬底(FSS)上外延的A1N材料相比,结晶质量显著提升,内量子效率提升43%。

高A1组分的A1GaN的禁带宽度增大,需提高掺杂元素浓度来增加载流子浓度,这导致空位及其复合物、杂质、位错等密度增大,晶体质量变差,使掺杂A1GaN外延层的电导率下降,影响DUV-LED的掺杂效率和发光效率。A1GaN的n型掺杂常采用Si元素来提高A1GaN的n型掺杂效率,而Si掺杂效率随着A1GaN中的A1组分增加而降低。有研究人员使用分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy,MBE)制备Si掺杂,50%高A1组分A1GaN的电子浓度可达1.25x 10²⁰/cm³。有研究人员采用A1N/A1GaN超晶格减少n型A1GaN层中的缺陷密度,提高了50%A1组分为n型A1GaN薄膜电子霍尔迁移率。还有研究人员在A1N同质衬底上生长出的A1组分为80%的A1GaN材料,掺杂浓度达到6x 10¹⁸/cm³,载流子浓度为1x 10¹⁸/cm³,提供了波长250-260 nm的DUV-LEDn型电导。A1GaN的p型掺杂常采用Mg元素, A1GaN材料中Mg的激活能高达510-600 meV,因此Mg的激活效率远低于n型A1GaN,国内外研究人员研究探索了普通均匀Mg掺杂、Mg-δ掺杂法、超晶格掺杂、共掺杂、极化诱导掺杂等诸多方法来减低位错密度,增加空穴浓度,提高A1GaN的p型电导率。   

DUV-LED外延材料的自吸收、内部全反射及偏振特性导致了光提取率非常低。p-GaN材料作为p型欧姆接触层具有载流子浓度高、晶体质量更好的特性,但小于280nm波长的深紫外光子会被p-GaN强烈吸收,研究人员采用对280nm紫外光透明的p型A1GaN层来减小p-GaN层厚度,将p型层的吸收率从10⁵/cm降低1000/cm以下,p型层的透光率从5%提升到60%,大幅度提升光提取效率。为提高光提取率,深紫外LED器件常采用倒装结构,使深紫外光从透明的蓝宝石衬底出来。

DUV-LED采用平面蓝宝石衬底上外延A1GaN,氮化物材料较高的折射率使量子阱发出的光反射严重,大量的光限制在LED内部并被外延材料吸收,造成光提取效率非常低。研究人员借鉴GaN基蓝光LED的光提取经验,在提高DUV-LED的P型层透光率、减少外延层自吸收的基础上,通过在蓝宝石衬底背面制作微透镜、moth eye、纳米柱结构、纳米图形衬底及电极反射镜等技术来进一步提高DUV-LED的LEE和EQE,光输出功率提高了50%以上。



4小结


随着A1GaN材料外延设备MOCVD、材料质量和工艺制备水平的提高,氮化物基DUV-LED的研究已实现了很大进展,器件内/外量子效率取得了量级式的提升,光电转换效率已接近10%,初步达到了应用化的水平,应用领域也将呈现多场景、多样态以及平台化的发展趋势。



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