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                《智能“光”點》第三期 | 呂家東:深紫外LED的技術挑戰與進展

                2022/10/13 10:06:20 作者:呂家東 來源:阿拉丁新聞中心
                摘要:波長≤280nm的深紫外光源有兩大類,氣體放電紫外光源和固態深紫外LED。氣體放電紫外光源材料、制造技術相對成熟,目前占據應用市場的主導地位。

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                本期作者

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                呂家東

                東南大學電光源研究中心主任

                新型光源技術與裝備教育部工程研究中心常務副主任、教授

                摘要: 波長≤280nm的深紫外光源有兩大類,氣體放電紫外光源和固態深紫外LED。氣體放電紫外光源材料、制造技術相對成熟,目前占據應用市場的主導地位。深紫外LED在量子阱結構、外延材料制備工藝、內外量子效率和出光率提升等方面的研究取得了突破性進展,將逐步取代氣體放電紫外光而成為商業應用領域的主流。

                關鍵詞:深紫外LED;半導體材料;A1GaN基;高A1組分;功率效率;內/外量子效率

                1 技術背景

                200<波長λ≤280nm深紫外(DUV)光源根據發光機理分為氣體放電類紫外光源和固體類紫外發光二極管(DUV-LED),因其在激發光源、殺菌消毒、凈化環境等諸多超越照明領域的應用而備受關注?;贒UV-LED的功率效率(WPE)較低,難以得到廣泛市場應用,氣體放電深紫外光源仍然占據市場主導地位。Ga N半導體材料的深紫外LED有著長壽命、低電壓、譜線單一、無汞環保、堅固耐震、體積小重量輕諸多優點,且技術進展引人注目,將逐步取代氣體放電紫外光源而成為應用領域的主流。

                圖1為國內外研究單位在深紫外LED功率效率(WPE)最新的研究成果。圖表顯示260<波長λ≤280nm的 DUV-LED的功率效率多數在5%左右,少數接近10%,深紫外LED功率效率(WPE)低已成為世界性難題,制約了深紫外LED產業化進程和商業化的規模應用。

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                圖1  DUV-LED的功率效率(WPE)

                2 技術挑戰

                深紫外LED的外延生長和器件制作涉及到專用材料生長設備(MOCVD)、量子結構設計、先進制備技術等諸多科學問題和工程技術問題。

                2.1  挑戰一:AlGaN外延生長專用MOCVD

                GaN材料對于有源區發出的波長小于360nm的紫外光有強烈的吸收,導致DUV-LED器件的光提取效率低,而A1N模板對小于360nm的紫外光是透明的,吸收紫外光低,因此在藍寶石襯底的A1N模板上高溫外延高A1組分A1GaN材料成為DUV-LED器件制備的首選。

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                圖2  AlGaN基DUV-LED外延結構

                高A1組分A1GaN生長溫度高達1400°,對爐體高溫熱場均勻性、穩定性有更高要求,多層熱屏蔽結構需要創新設計,對新型加熱材料、耐高溫絕緣材料、保溫材料提出新的挑戰。

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                圖3  MOCVD反應腔、加熱器                 

                2.2  挑戰二:低缺陷密度的高Al組分氮化物材料

                表1列出了高A1組分AlGaN材料與不同襯底的晶格常數、熱膨脹系數和晶格失配度。表中顯示藍寶石襯底與A1GaN材料的晶格失配和熱失配大,傳熱性差,但不吸收深紫外光,且氮化物外延制備工藝也相對成熟,因此深紫外光外延研究大多是基于藍寶石襯底。

                表1

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                晶格失配、熱失配導致深紫外LED內量子效率低,失配引起的應力導致外延材料(晶圓)產生裂紋。研究結果表明(圖4),當位錯密度>101?/cm2時,內量子效率只有百分之幾,當位錯密度<10?/cm2量級時,280 nm DUV-LED的內量子效率會提高到40%,而要將內量子效率提高到80%以上,位錯密度則要低于10?/cm2。

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                圖4 位錯密度與內量子效率

                2.3  挑戰三:深紫外光提取效率(LEE)

                GaN對深紫外光吸收嚴重,需要高A1組分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輸出率,芯片設計需在藍寶石襯底背面制作微透鏡、納米圖形結構等,調控紫外光子的傳輸路徑,拓寬出光角度。通過新型光學結構設計提高DUV-LED器件光反射率。

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                圖5 深紫外DUV-LED納米圖形結構

                2.4  挑戰四:深紫外LED封裝材料與工藝

                深紫外光子能量級高,導致常規有機封裝材料老化嚴重,壽命減小。DUV-LED器件光學結構需優化設計,進一步提高紫外光輸出效率。DUV-LED器件散熱結構需創新設計,采用高導熱率先進材料,減緩光衰減。

                3技術進展

                深紫外LED研究圍繞新型高效量子結構設計、量子阱極性調控技術、高電導高透射率p型AlGaN層制備技術,納米結構深紫外波段透射等方向開展。

                各國研究人員探索了各種制備技術以提升A1N和A1GaN外延材料質量。有研究小組采用脈沖原子層外延(Pulsed Atomic Layer Epitaxy)技術外延生長出高質量的A1GaN,實現了228nm-280nm深紫外光。有研究小組通過NH3脈沖多層生長A1N緩沖層技術在藍寶石襯底上獲得低缺陷密度的A1N和A1GaN外延層,實現231-273nm波段的深紫外光。有研究人員采用遷移增強外延(Migration Enhanced Epitaxy)技術優化A1N成核過程,獲得了高質量的A1GaN/A1N量子阱(MQWs),其內量子效率達到36%。還有研究小組采用側向外延(ELO)技術,在微米級溝槽型A1N/藍寶石模板上,側向外延ELO-A1N和ELO-A1GaN,其位錯密度低于10?/cm2,顯著提高了內量子效率。中科院半導體所通過納米圖形藍寶石襯底(Nano-Patterned Sapphire Substrate)外延,使A1N模板表面達到原子級平整度,在A1N模板上外延的283 nm DUV量子阱與普通平面藍寶石襯底(FSS)上外延的A1N材料相比,結晶質量顯著提升,內量子效率提升43%。

                高A1組分的A1GaN的禁帶寬度增大,需提高摻雜元素濃度來增加載流子濃度,這導致空位及其復合物、雜質、位錯等密度增大,晶體質量變差,使摻雜A1GaN外延層的電導率下降,影響DUV-LED的摻雜效率和發光效率。A1GaN的n型摻雜常采用Si元素來提高A1GaN的n型摻雜效率,而Si摻雜效率隨著A1GaN中的A1組分增加而降低。有研究人員使用分子束外延技術(Molecular Beam Epitaxy,MBE)制備Si摻雜,50%高A1組分A1GaN的電子濃度可達1.25x 102?/cm3。有研究人員采用A1N/A1GaN超晶格減少n型A1GaN層中的缺陷密度,提高了50%A1組分為n型A1GaN薄膜電子霍爾遷移率。還有研究人員在A1N同質襯底上生長出的A1組分為80%的A1GaN材料,摻雜濃度達到6x 101?/cm3,載流子濃度為1x 101?/cm3,提供了波長250-260 nm的DUV-LEDn型電導。A1GaN的p型摻雜常采用Mg元素, A1GaN材料中Mg的激活能高達510-600 meV,因此Mg的激活效率遠低于n型A1GaN,國內外研究人員研究探索了普通均勻Mg摻雜、Mg-δ摻雜法、超晶格摻雜、共摻雜、極化誘導摻雜等諸多方法來減低位錯密度,增加空穴濃度,提高A1GaN的p型電導率。   

                DUV-LED外延材料的自吸收、內部全反射及偏振特性導致了光提取率非常低。p-GaN材料作為p型歐姆接觸層具有載流子濃度高、晶體質量更好的特性,但小于280nm波長的深紫外光子會被p-GaN強烈吸收,研究人員采用對280nm紫外光透明的p型A1GaN層來減小p-GaN層厚度,將p型層的吸收率從10?/cm降低1000/cm以下,p型層的透光率從5%提升到60%,大幅度提升光提取效率。為提高光提取率,深紫外LED器件常采用倒裝結構,使深紫外光從透明的藍寶石襯底出來。

                DUV-LED采用平面藍寶石襯底上外延A1GaN,氮化物材料較高的折射率使量子阱發出的光反射嚴重,大量的光限制在LED內部并被外延材料吸收,造成光提取效率非常低。研究人員借鑒GaN基藍光LED的光提取經驗,在提高DUV-LED的P型層透光率、減少外延層自吸收的基礎上,通過在藍寶石襯底背面制作微透鏡、moth eye、納米柱結構、納米圖形襯底及電極反射鏡等技術來進一步提高DUV-LED的LEE和EQE,光輸出功率提高了50%以上。

                4小結

                隨著A1GaN材料外延設備MOCVD、材料質量和工藝制備水平的提高,氮化物基DUV-LED的研究已實現了很大進展,器件內/外量子效率取得了量級式的提升,光電轉換效率已接近10%,初步達到了應用化的水平,應用領域也將呈現多場景、多樣態以及平臺化的發展趨勢。


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