光效提高101.6%!科研人员利用多元合金超晶格研制紫外LED

全球128个国家签署的《联合国水俣公约》已于2017年8月在中国正式生效,条约明令各国从2020年起禁止生产及进出口各种含有汞的制品,传统汞灯将被禁止生产和销售。发展环保节能的新型紫外固态光源,替代目前应用广泛的紫外汞灯,已成为杀菌消毒和固化曝光领域迫切的需要。基于第三代半导体材料AlGaN的紫外LED对肆虐的新型冠状病毒具有明显的杀灭效果,因而得到国内外各界的高度关注。

不同于成熟的蓝光LED,由于紫外LED的核心材料具有更低的In含量和更高的Al含量,这使得外延层缺陷密度高、p-AlGaN材料中空穴浓度低、极化效应强、载流子输运不平衡等问题极为突出。因此,紫外LED的发光效率仍远低于成熟的蓝光LED。当发光波长低于370nm时,紫外LED更是面临着发光效率骤降的难题,成为阻碍其高端应用的最大障碍。

针对以上问题,广东省科学院半导体研究所先进材料平台从材料生长和器件设计两方面对紫外LED展开了较系统深入的技术研发。

首先,采用MOCVD精细生长模式调控技术成功制备出高质量AlGaN材料和高内量子效率的AlGaN量子阱;同时,研究人员采用极化场调控技术和能带工程,将多元合金p-AlInGaN/AlGaN短周期超晶格材料(SPSL)引入到AlGaN基紫外LED的电子阻挡层(EBL)结构中,成功研制出高内量子效率的紫外LED器件。

结果表明SPSL-EBL能改善紫外LED器件的载流子传输特性,降低器件的开启电压,使得发光波长在368 nm的紫外LED器件发光效率比传统结构提高了101.6%,此项研究将会为高效率的全固态紫外光源的研发开辟新路径。

以上部分工作结果近日发表于国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry C》。

图1 (a) 基于p-AlInGaN/AlGaN SPSL-EBL的紫外LED器件结构示意图;
(b) 368 nm紫外LED外延片(左)和晶圆上的芯片照片(右)。

图2 (a)- (d)和(e)- (h)分别为传统结构和基于SPSL-EBL结构的紫外LED截面STEM图,
两种样品的晶体质量良好,各异质结界面清晰;
(j)和(k)分别为传统紫外LED基于SPSL紫外LED在200mA正向电流注入下的点亮照片,
芯片B的紫外光功率相比传统结构的紫外LED提高了101.6%

来源:广东省科学院

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