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(lán)寶石襯底斜切角調(diào)控量子阱實(shí)現(xiàn)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》。
雖然紫外線在太陽光中能量占比僅5%，但在人類生活中應(yīng)用廣泛。目前，紫外光廣泛應(yīng)用于水凈化、光固化和殺菌消毒等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的紫外光源一般是采用汞蒸氣放電的激發(fā)態(tài)來產(chǎn)生紫外線，有著發(fā)熱量大、功耗高、反應(yīng)慢、壽命短和安全隱患等諸多缺陷。而新型的深紫外光源則采用發(fā)光二極管（LED）發(fā)光原理，相對于傳統(tǒng)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。《水俁公約》的實(shí)施，預(yù)示2020年將全面禁止含有汞元素紫外燈的使用。因此，開發(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(xiàng)重要挑戰(zhàn)。
由此，基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（氮化鎵、氮化鎵鋁）的深紫外發(fā)光二極管（UV LED）成為這一新應(yīng)用的不二選擇。這一全固態(tài)光源體系效率高、體積小、壽命長，而且不過是拇指蓋大小的芯片，就能發(fā)出比汞燈還要強(qiáng)的紫外光。這里面的奧秘主要取決于III族氮化物這種直接帶隙半導(dǎo)體材料：導(dǎo)帶上的電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合時(shí)，產(chǎn)生光子。光子的能量則取決于材料的禁帶寬度，所以科學(xué)家們可以通過調(diào)節(jié)氮化鎵鋁（AlGaN）這種三元化合物中的元素組分來實(shí)現(xiàn)不同波長的發(fā)光。但是，要想實(shí)現(xiàn)UV LED的高效發(fā)光并不總是那么簡單的事情。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)，并不總是一定產(chǎn)生光子，這一效率被稱之為內(nèi)量子效率(IQE)。
中科大微電子學(xué)院孫海定和龍世兵教授的課題組巧妙通過調(diào)控藍(lán)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。他們的課題組發(fā)現(xiàn)當(dāng)提高襯底的斜切角時(shí)，UV LED內(nèi)部的位錯得到明顯抑制，器件發(fā)光D的強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)斜切角襯底達(dá)到4度時(shí)，器件熒光光譜的強(qiáng)度提升了一個數(shù)量級，而內(nèi)量子效率也達(dá)到了破紀(jì)錄的90%以上。
圖：在0.2和4度斜切角藍(lán)寶石襯底上制備的深紫外LED光致發(fā)光光譜和器件示意圖，有源區(qū)透射電子顯微鏡展示了高分辨多量子阱結(jié)構(gòu)圖，和輸出功率的對比圖。
此項(xiàng)研究將會為高效率的全固態(tài)紫外光源的研發(fā)提供新的思路。這種思路無需昂貴的圖形化襯底，也不需要復(fù)雜的外延生長工藝。而僅僅依靠襯底的斜切角的調(diào)控和外延生長參數(shù)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(lán)光LED相媲美的高度，為高功率深紫外LED的大規(guī)模應(yīng)用奠定實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。
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(xiàng)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。論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201905445
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