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中科大微电子学院孙海定课题组利用衬底斜切角调控量子阱实现三维载流子束缚,突破紫外LED性能
作者:赵锐 来源:中国科大微电子学院 阅读次数:1490 日期:2018-11-20
  

       紫外线虽(sui)然在(zai)太阳光中能量占比仅5%,但却广泛应用(yong)(yong)于(yu)(yu)人类生(sheng)活。目前紫(zi)(zi)(zi)外光(guang)应用(yong)(yong)包括印刷固化、钱(qian)币防伪、皮肤病治疗、植(zhi)物生(sheng)长光(guang)照、破坏微(wei)生(sheng)物如细菌、病毒等(deng)分子(zi)结构,因此广泛应用(yong)(yong)于(yu)(yu)空气(qi)杀菌、水(shui)体净(jing)化和固体表面除(chu)菌消毒等(deng)领域。传统的紫(zi)(zi)(zi)外光(guang)源(yuan)一般是采用(yong)(yong)汞蒸气(qi)放电的激发态来产(chan)生(sheng)紫(zi)(zi)(zi)外线,有着功耗高、发热量大、寿命短(duan)、反应慢、有安(an)全(quan)隐患等(deng)诸多缺(que)陷。新型的深紫(zi)(zi)(zi)外光(guang)源(yuan)则采用(yong)(yong)发光(guang)二极管(light emitting diode: LED)发光原理,相对于(yu)传统的(de)汞灯拥有诸多的(de)优(you)点。其中(zhong)最为重要优(you)势的(de)在于(yu)其不含有毒(du)汞元(yuan)素。随着《水俣公约(yue)》的(de)实施,标志着2020年(nian)间将全面禁(jin)止(zhi)含有汞元(yuan)素紫外灯的(de)使用,因(yin)此如何(he)才(cai)能开发出一种全新的(de)环保、高(gao)效紫外光(guang)源,成(cheng)为(wei)了摆(bai)在人们面前的(de)一项重要挑(tiao)战(zhan)。而基于宽(kuan)禁(jin)带半导体材料(GaNAlGaN)的深紫(zi)外发(fa)光二极管(deep ultraviolet LED: DUV LED)成(cheng)为了这一新应用的(de)(de)不二选(xuan)择。这一全固态光(guang)源体系体积小、效率高,寿(shou)命长,仅(jin)(jin)仅(jin)(jin)是拇指盖大小的(de)(de)芯(xin)片,就可以发(fa)出(chu)比汞(gong)灯(deng)还要(yao)强的(de)(de)紫(zi)外光(guang)。这其中的(de)(de)奥(ao)秘(mi)主要(yao)取决于III族(zu)氮化物这一种(zhong)直(zhi)接(jie)带(dai)隙半导体材料(liao):导带(dai)上的(de)(de)(de)电子(zi)与价带(dai)上的(de)(de)(de)空(kong)穴复(fu)合,从(cong)而产生光(guang)子(zi)。而光(guang)子(zi)的(de)(de)(de)能量则(ze)取决于材料(liao)的(de)(de)(de)禁带(dai)宽度,科学家们则(ze)可以通过调节AlGaN这种三元化(hua)合物(wu)中的(de)元素组分,精(jing)密地(di)实现不(bu)同波(bo)长的(de)发光。然而,要想实现紫(zi)外LED的高效发光(guang)并(bing)不总(zong)是那么容(rong)易。研究者(zhe)们发现,当电子(zi)和(he)空(kong)穴复合时,并(bing)不总(zong)是一定产生光(guang)子(zi),这(zhei)一效率被称之(zhi)为内量子(zi)效率(internal quantum efficiency: IQE)

中国科学(xue)(xue)技术大学(xue)(xue)微电子学(xue)(xue)院(yuan)孙海定和(he)(he)龙(long)世兵(bing)课(ke)题组和(he)(he)中国科学(xue)(xue)院(yuan)宁波材料所郭炜和(he)(he)叶继春课(ke)题组发现,为了(le)提(ti)升紫外(wai)LEDIQE数值,可以通过AlGaN材料生(sheng)长的(de)衬底-蓝(lan)宝石,也就是Al2O3的斜切(qie)角调控来(lai)实现(xian),研究人员发现(xian),当提高衬(chen)底(di)的斜切(qie)角时,紫外LED内部的位错得到明(ming)显抑制,器(qi)件发光(guang)强度明(ming)显提高(gao)。当(dang)斜切角衬底达到4度时,器件荧(ying)光光谱的(de)强度提升了一个数量级,而内(nei)量子效率也达到了破纪录的(de)90%以上。与传统(tong)紫外(wai)LED结构不同的(de)是,这一种新型结构内部的(de)发光层-即多层量(liang)子(zi)阱(MQW)内势阱和势垒的厚度并不是(shi)均(jun)匀(yun)的。借助于高分辨(bian)透射电子显微镜,研(yan)究(jiu)人员得(de)以在微观(guan)尺度分析仅(jin)仅(jin)只(zhi)有几(ji)纳米(mi)的量子阱结构。研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming),在衬底的台阶处,镓(Ga)原子会出现聚集(ji)现象,这导致了(le)局部的能带变窄,并(bing)且随着薄(bo)膜(mo)的生长,富(fu)Ga和(he)富Al的区(qu)域(yu)会(hui)一直延伸至DUV LED的(de)表面(mian),并(bing)且在三维空间内出现扭曲、弯(wan)折,形成三维的(de)多量子阱结构。研究者们称这一特(te)殊的(de)现象(xiang)为:AlGa元素(su)的(de)相分离和载流(liu)子局域(yu)化现象。值得指出的(de)是(shi),在铟镓氮(InGaN)基的蓝(lan)光LED体系中,In由于和Ga并不100%互溶,导致(zhi)材料内(nei)部出(chu)现富In和富(fu)Ga的区域,从而(er)产(chan)生局(ju)域态,促进的载流子的辐射(she)复合。但在(zai)AlGaN材料(liao)体系中,Al和(he)Ga的相分离却很少见(jian)到。而此工作的重要(yao)意义之一就(jiu)在于人(ren)为(wei)调节材料的生(sheng)长模式,促进相分离,并因(yin)此大(da)大(da)改善了器件的发光特性(xing)。

通(tong)过(guo)在4度斜切角衬(chen)底上优(you)化外延生长调节,研(yan)究人员摸索到(dao)了一种最佳的(de)DUV LED结构(gou)。该(gai)结构(gou)的载流子寿命超过了1.60 ns,而传统器件中这一数值一般都(dou)低(di)于1ns。进一步测试芯片的发光(guang)功率(lv),科(ke)研人员发现其紫(zi)外(wai)发光(guang)功率(lv)比传统基于0.2度斜切角衬底的器件(jian)强2倍之(zhi)多。这更(geng)加确信无疑地(di)证明了,AlGaN材料可以(yi)实(shi)现有效的相(xiang)分(fen)离和载流子局(ju)域化现象。除(chu)此之外,实(shi)验人员(yuan)还通过理论计算模(mo)拟了AlGaN 多量子阱(jing)内部的(de)相分离(li)现象以及势(shi)阱(jing)、势(shi)垒厚度不均一性对发光强度和波长的(de)影响,理(li)论计算与(yu)实验实现了(le)十分吻合。

      该研究成果同(tong)时得到了华中科(ke)技大(da)学戴(dai)江南(nan)和陈(chen)长清教(jiao)(jiao)授(shou),河北工业大(da)学张紫辉教(jiao)(jiao)授(shou),沙特阿卜杜(du)拉国王(wang)科(ke)技大(da)学Boon OoiIman Roqan教授等联合攻关完成。研究者(zhe)相信,此(ci)项研究将(jiang)会为(wei)高效率的(de)(de)(de)(de)全固态紫外光源的(de)(de)(de)(de)研发(fa)提供新的(de)(de)(de)(de)思(si)路。这种思(si)路无需昂贵的(de)(de)(de)(de)图形(xing)化衬底(di),也不需要(yao)复杂的(de)(de)(de)(de)外延生长(zhang)工(gong)艺。而仅仅依靠(kao)衬底(di)的(de)(de)(de)(de)斜切角(jiao)的(de)(de)(de)(de)调(diao)控(kong)和(he)外延生长(zhang)参数的(de)(de)(de)(de)匹配和(he)优化,就有(you)望(wang)将(jiang)紫外LED的发光特性提(ti)高到(dao)与蓝光LED相媲(pi)美的高度,为(wei)高功率深紫外LED的大规模应用奠定实验和理(li)论基础。相关结果以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”为题,在线发表在Advanced Functional Materials上(shang)(DOI: 10.1002/adfm.201905445)。



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