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              中國科大在UV LED研究中取得新進(jìn)展

              2019/12/4 9:27:41 作者: 來源:中國科大新聞網(wǎng)
              摘要: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 Subst

              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。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)帶上的電子與價帶上的空穴復(fù)合時,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現(xiàn)不同波長的發(fā)光。但是,要想實現(xiàn)UV LED的高效發(fā)光并不總是那么簡單的事情??茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子和空穴復(fù)合時,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,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,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。

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                  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)用奠定實驗和理論基礎(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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