本期作者
呂家東
東南大學(xué)電光源研究中心主任
新型光源技術(shù)與裝備教育部工程研究中心常務(wù)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(tài)深紫外LED。氣體放電紫外光源材料、制造技術(shù)相對成熟，目前占據(jù)應(yīng)用市場的主導(dǎo)地位。深紫外LED在量子阱結(jié)構(gòu)、外延材料制備工藝、內(nèi)外量子效率和出光率提升等方面的研究取得了突破性進(jìn)展，將逐步取代氣體放電紫外光而成為商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的主流。
關(guān)鍵詞：深紫外LED；半導(dǎo)體材料；A1GaN基；高A1組分；功率效率；內(nèi)/外量子效率
1 技術(shù)背景
200＜波長λ≤280nm深紫外（DUV）光源根據(jù)發(fā)光機(jī)理分為氣體放電類紫外光源和固體類紫外發(fā)光二極管（DUV-LED），因其在激發(fā)光源、殺菌消毒、凈化環(huán)境等諸多超越照明領(lǐng)域的應(yīng)用而備受關(guān)注。基于DUV-LED的功率效率（WPE）較低，難以得到廣泛市場應(yīng)用，氣體放電深紫外光源仍然占據(jù)市場主導(dǎo)地位。Ga N半導(dǎo)體材料的深紫外LED有著長壽命、低電壓、譜線單一、無汞環(huán)保、堅(jiān)固耐震、體積小重量輕諸多優(yōu)點(diǎn)，且技術(shù)進(jìn)展引人注目，將逐步取代氣體放電紫外光源而成為應(yīng)用領(lǐng)域的主流。
圖1為國內(nèi)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(shù)在5%左右，少數(shù)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(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和商業(yè)化的規(guī)模應(yīng)用。
圖1 DUV-LED的功率效率（WPE）
2 技術(shù)挑戰(zhàn)
深紫外LED的外延生長和器件制作涉及到專用材料生長設(shè)備（MOCVD）、量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、先進(jìn)制備技術(shù)等諸多科學(xué)問題和工程技術(shù)問題。
2.1 挑戰(zhàn)一：AlGaN外延生長專用MOCVD
GaN材料對于有源區(qū)發(fā)出的波長小于360nm的紫外光有強(qiáng)烈的吸收，導(dǎo)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(lán)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。
圖2 AlGaN基DUV-LED外延結(jié)構(gòu)
高A1組分A1GaN生長溫度高達(dá)1400°，對爐體高溫?zé)釄鼍鶆蛐?、穩(wěn)定性有更高要求，多層熱屏蔽結(jié)構(gòu)需要創(chuàng)新設(shè)計(jì)，對新型加熱材料、耐高溫絕緣材料、保溫材料提出新的挑戰(zhàn)。
圖3 MOCVD反應(yīng)腔、加熱器
2.2 挑戰(zhàn)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(shù)、熱膨脹系數(shù)和晶格失配度。表中顯示藍(lán)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(lán)寶石襯底。
表1
晶格失配、熱失配導(dǎo)致深紫外LED內(nèi)量子效率低，失配引起的應(yīng)力導(dǎo)致外延材料（晶圓）產(chǎn)生裂紋。研究結(jié)果表明（圖4），當(dāng)位錯密度>101?/cm2時，內(nèi)量子效率只有百分之幾，當(dāng)位錯密度<10?/cm2量級時，280 nm DUV-LED的內(nèi)量子效率會提高到40%，而要將內(nèi)量子效率提高到80%以上，位錯密度則要低于10?/cm2。
圖4 位錯密度與內(nèi)量子效率
2.3 挑戰(zhàn)三：深紫外光提取效率(LEE)
GaN對深紫外光吸收嚴(yán)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(shè)計(jì)需在藍(lán)寶石襯底背面制作微透鏡、納米圖形結(jié)構(gòu)等，調(diào)控紫外光子的傳輸路徑，拓寬出光角度。通過新型光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高DUV-LED器件光反射率。
圖5 深紫外DUV-LED納米圖形結(jié)構(gòu)
2.4 挑戰(zhàn)四：深紫外LED封裝材料與工藝
深紫外光子能量級高，導(dǎo)致常規(guī)有機(jī)封裝材料老化嚴(yán)重，壽命減小。DUV-LED器件光學(xué)結(jié)構(gòu)需優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高紫外光輸出效率。DUV-LED器件散熱結(jié)構(gòu)需創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用高導(dǎo)熱率先進(jìn)材料，減緩光衰減。
3技術(shù)進(jìn)展
深紫外LED研究圍繞新型高效量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、量子阱極性調(diào)控技術(shù)、高電導(dǎo)高透射率p型AlGaN層制備技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)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(shù)以提升A1N和A1GaN外延材料質(zhì)量。有研究小組采用脈沖原子層外延(Pulsed Atomic Layer Epitaxy)技術(shù)外延生長出高質(zhì)量的A1GaN，實(shí)現(xiàn)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(shù)在藍(lán)寶石襯底上獲得低缺陷密度的A1N和A1GaN外延層，實(shí)現(xiàn)231-273nm波段的深紫外光。有研究人員采用遷移增強(qiáng)外延(Migration Enhanced Epitaxy)技術(shù)優(yōu)化A1N成核過程，獲得了高質(zhì)量的A1GaN/A1N量子阱（MQWs），其內(nèi)量子效率達(dá)到36%。還有研究小組采用側(cè)向外延（ELO）技術(shù)，在微米級溝槽型A1N/藍(lán)寶石模板上，側(cè)向外延ELO-A1N和ELO-A1GaN，其位錯密度低于10?/cm2，顯著提高了內(nèi)量子效率。中科院半導(dǎo)體所通過納米圖形藍(lán)寶石襯底(Nano-Patterned Sapphire Substrate)外延，使A1N模板表面達(dá)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(lán)寶石襯底(FSS)上外延的A1N材料相比，結(jié)晶質(zhì)量顯著提升，內(nèi)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(dǎo)致空位及其復(fù)合物、雜質(zhì)、位錯等密度增大，晶體質(zhì)量變差，使摻雜A1GaN外延層的電導(dǎo)率下降，影響DUV-LED的摻雜效率和發(fā)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(shù)(Molecular Beam Epitaxy,MBE)制備Si摻雜，50%高A1組分A1GaN的電子濃度可達(dá)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(zhì)襯底上生長出的A1組分為80%的A1GaN材料，摻雜濃度達(dá)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(dǎo)。A1GaN的p型摻雜常采用Mg元素, A1GaN材料中Mg的激活能高達(dá)510-600 meV，因此Mg的激活效率遠(yuǎn)低于n型A1GaN，國內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)率。
DUV-LED外延材料的自吸收、內(nèi)部全反射及偏振特性導(dǎo)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(zhì)量更好的特性，但小于280nm波長的深紫外光子會被p-GaN強(qiáng)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(jié)構(gòu)，使深紫外光從透明的藍(lán)寶石襯底出來。
DUV-LED采用平面藍(lán)寶石襯底上外延A1GaN，氮化物材料較高的折射率使量子阱發(fā)出的光反射嚴(yán)重，大量的光限制在LED內(nèi)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(lán)光LED的光提取經(jīng)驗(yàn)，在提高DUV-LED的P型層透光率、減少外延層自吸收的基礎(chǔ)上，通過在藍(lán)寶石襯底背面制作微透鏡、moth eye、納米柱結(jié)構(gòu)、納米圖形襯底及電極反射鏡等技術(shù)來進(jìn)一步提高DUV-LED的LEE和EQE，光輸出功率提高了50%以上。
4小結(jié)
隨著A1GaN材料外延設(shè)備MOCVD、材料質(zhì)量和工藝制備水平的提高，氮化物基DUV-LED的研究已實(shí)現(xiàn)了很大進(jìn)展，器件內(nèi)/外量子效率取得了量級式的提升，光電轉(zhuǎn)換效率已接近10%，初步達(dá)到了應(yīng)用化的水平，應(yīng)用領(lǐng)域也將呈現(xiàn)多場景、多樣態(tài)以及平臺化的發(fā)展趨勢。
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