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來(lái)源：中國科大 近期，中國科大微電子學(xué)院孫海定和龍世兵課題組關(guān)于利用藍寶石襯底斜切角調控量子阱實(shí)現三維載流子束縛，突破了紫外LED發(fā)光性能的重要進(jìn)展。相關(guān)研究以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》。 紫外線(xiàn)雖然在太陽(yáng)光中能量占比僅5%，但卻廣泛應用于人類(lèi)生活。目前紫外光應用包括印刷固化、錢(qián)幣防偽、皮膚病治療、植物生長(cháng)光照、破壞微生物如細菌、病毒等分子結構，因此廣泛應用于空氣殺菌、水體凈化和固體表面除菌消毒等領(lǐng)域。傳統的紫外光源一般是采用汞蒸氣放電的激發(fā)態(tài)來(lái)產(chǎn)生紫外線(xiàn)，有著(zhù)功耗高、發(fā)熱量大、壽命短、反應慢、有安全隱患等諸多缺陷。新型的深紫外光源則采用發(fā)光二極管（light emitting diode: LED）發(fā)光原理，相對于傳統的汞燈擁有諸多的優(yōu)點(diǎn)。其中最為重要的優(yōu)勢在于其不含有毒汞元素�！端畟R公約》的實(shí)施，預示2020年將全面禁止含有汞元素紫外燈的使用。因此，開(kāi)發(fā)出一種全新的環(huán)保、高效紫外光源，成為了擺在人們面前的一項重要挑戰。 而基于寬禁帶半導體材料（GaN，AlGaN）的深紫外發(fā)光二極管（deep ultraviolet LED: DUV LED）成為這一新應用的不二選擇。這一全固態(tài)光源體系體積小、效率高，壽命長(cháng)，僅僅是拇指蓋大小的芯片，就可以發(fā)出比汞燈還要強的紫外光。其中的奧秘主要取決于III族氮化物這種直接帶隙半導體材料：導帶上的電子與價(jià)帶上的空穴復合，從而產(chǎn)生光子。而光子的能量則取決于材料的禁帶寬度，科學(xué)家們則可以通過(guò)調節AlGaN這種三元化合物中的元素組分，精密地實(shí)現不同波長(cháng)的發(fā)光。然而，要想實(shí)現紫外LED的高效發(fā)光并不總是那么容易。研究者們發(fā)現，當電子和空穴復合時(shí)，并不總是一定產(chǎn)生光子，這一效率被稱(chēng)之為內量子效率(internal quantum efficiency: IQE)。 中國科大微電子學(xué)院孫海定和龍世兵教授課題組，巧妙通過(guò)調控藍寶石襯底的斜切角，大幅提升紫外LED的IQE和器件發(fā)光功率。課題組發(fā)現，當提高襯底的斜切角時(shí)，紫外LED內部的位錯得到明顯抑制，器件發(fā)光強度明顯提高。當斜切角襯底達到4度時(shí)，器件熒光光譜的強度提升了一個(gè)數量級，而內量子效率也達到了破紀錄的90%以上。 與傳統紫外LED結構不同的是，這種新型結構內部的發(fā)光層——多層量子阱（MQW）內勢阱和勢壘的厚度并不是均勻的。借助于高分辨透射電子顯微鏡，研究人員得以在微觀(guān)尺度分析僅僅只有幾納米的量子阱結構。研究表明，在襯底的臺階處，鎵（Ga）原子會(huì )出現聚集現象，這導致了局部的能帶變窄，并且隨著(zhù)薄膜的生長(cháng)，富Ga和富Al的區域會(huì )一直延伸至DUV LED的表面，并且在三維空間內出現扭曲、彎折，形成三維的多量子阱結構。研究者們稱(chēng)這一特殊的現象為：Al，Ga元素的相分離和載流子局域化現象。值得指出的是，在銦鎵氮（InGaN）基的藍光LED體系中，In由于和Ga并不100%互溶，導致材料內部出現富In和富Ga的區域，從而產(chǎn)生局域態(tài)，促進(jìn)的載流子的輻射復合。但在A(yíng)lGaN材料體系中，Al和Ga的相分離卻很少見(jiàn)到。而此工作的重要意義之一就在于人為調節材料的生長(cháng)模式，促進(jìn)相分離，并因此大大改善了器件的發(fā)光特性。 通過(guò)在4度斜切角襯底上優(yōu)化外延生長(cháng)調節，研究人員摸索到了一種最佳的DUVLED結構。該結構的載流子壽命超過(guò)了1.60 ns，而傳統器件中這一數值一般都低于1ns。進(jìn)一步測試芯片的發(fā)光功率，科研人員發(fā)現其紫外發(fā)光功率比傳統基于0.2度斜切角襯底的器件強2倍之多，如圖所示。這更加確信無(wú)疑地證明了，AlGaN材料可以實(shí)現有效的相分離和載流子局域化現象。除此之外，實(shí)驗人員還通過(guò)理論計算模擬了AlGaN 多量子阱內部的相分離現象以及勢阱、勢壘厚度不均一性對發(fā)光強度和波長(cháng)的影響，理論計算與實(shí)驗都實(shí)現了十分吻合。 此項研究將會(huì )為高效率的全固態(tài)紫外光源的研發(fā)提供新的思路。這種思路無(wú)需昂貴的圖形化襯底，也不需要復雜的外延生長(cháng)工藝。而僅僅依靠襯底的斜切角的調控和外延生長(cháng)參數的匹配和優(yōu)化，就有望將紫外LED的發(fā)光特性提高到與藍光LED相媲美的高度，為高功率深紫外LED的大規模應用奠定實(shí)驗和理論基礎。 中國科大微電子學(xué)院孫海定研究員為論文的第一作者和共同通訊作者。該項目聯(lián)合中國科學(xué)院寧波材料所郭煒和葉繼春研究員，華中科技大學(xué)戴江南和陳長(cháng)清教授，河北工業(yè)大學(xué)張紫輝教授，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)Boon Ooi和Iman Roqan教授一起攻關(guān)完成。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中科院、中國科大等單位的支持。部分樣品加工工藝在中國科大微納研究與制造中心完成。 |
