中國科大在半導體深紫外LED研究中取得重要進展

近期，中國科大微電子學院孫海定和龍世兵課題組關(guān)于利用藍寶石襯底斜切角調(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《先進功能材料》。

紫外線雖然在太陽光中能量占比僅5%，但卻廣泛應用于人類生活。目前紫外光應用包括印刷固化、錢幣防偽、皮膚病治療、植物生長光照、破壞微生物如細菌、病毒等分子結(jié)構(gòu)，因此廣泛應用于空氣殺菌、水體凈化和固體表面除菌消毒等領(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，有著功耗高、發(fā)熱量大、壽命短、反應慢、有安全隱患等諸多缺陷。新型的深紫外光源則采用發(fā)光二極管（light emitting diode: 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)。

而基于寬禁帶半導體材料（GaN，AlGaN）的深紫外發(fā)光二極管（deep ultraviolet LED: DUV LED）成為這一新應用的不二選擇。這一全固態(tài)光源體系體積小、效率高，壽命長，僅僅是拇指蓋大小的芯片，就可以發(fā)出比汞燈還要強的紫外光。其中的奧秘主要取決于III族氮化物這種直接帶隙半導體材料：導帶上的電子與價帶上的空穴復合，從而產(chǎn)生光子。而光子的能量則取決于材料的禁帶寬度，科學家們則可以通過調(diào)節(jié)AlGaN這種三元化合物中的元素組分，精密地實現(xiàn)不同波長的發(fā)光。然而，要想實現(xiàn)紫外LED的高效發(fā)光并不總是那么容易。研究者們發(fā)現(xiàn)，當電子和空穴復合時，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(internal quantum efficiency: IQE)。

中國科大微電子學院孫海定和龍世兵教授課題組，巧妙通過調(diào)控藍寶石襯底的斜切角，大幅提升紫外LED的IQE和器件發(fā)光功率。課題組發(fā)現(xiàn)，當提高襯底的斜切角時，紫外LED內(nèi)部的位錯得到明顯抑制，器件發(fā)光強度明顯提高。當斜切角襯底達到4度時，器件熒光光譜的強度提升了一個數(shù)量級，而內(nèi)量子效率也達到了破紀錄的90%以上。

與傳統(tǒng)紫外LED結(jié)構(gòu)不同的是，這種新型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的發(fā)光層——多層量子阱（MQW）內(nèi)勢阱和勢壘的厚度并不是均勻的。借助于高分辨透射電子顯微鏡，研究人員得以在微觀尺度分析僅僅只有幾納米的量子阱結(jié)構(gòu)。研究表明，在襯底的臺階處，鎵（Ga）原子會出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，這導致了局部的能帶變窄，并且隨著薄膜的生長，富Ga和富Al的區(qū)域會一直延伸至DUV LED的表面，并且在三維空間內(nèi)出現(xiàn)扭曲、彎折，形成三維的多量子阱結(jié)構(gòu)。研究者們稱這一特殊的現(xiàn)象為：Al，Ga元素的相分離和載流子局域化現(xiàn)象。值得指出的是，在銦鎵氮（InGaN）基的藍光LED體系中，In由于和Ga并不100%互溶，導致材料內(nèi)部出現(xiàn)富In和富Ga的區(qū)域，從而產(chǎn)生局域態(tài)，促進的載流子的輻射復合。但在AlGaN材料體系中，Al和Ga的相分離卻很少見到。而此工作的重要意義之一就在于人為調(diào)節(jié)材料的生長模式，促進相分離，并因此大大改善了器件的發(fā)光特性。

通過在4度斜切角襯底上優(yōu)化外延生長調(diào)節(jié)，研究人員摸索到了一種最佳的DUVLED結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的載流子壽命超過了1.60 ns，而傳統(tǒng)器件中這一數(shù)值一般都低于1ns。進一步測試芯片的發(fā)光功率，科研人員發(fā)現(xiàn)其紫外發(fā)光功率比傳統(tǒng)基于0.2度斜切角襯底的器件強2倍之多，如圖所示。這更加確信無疑地證明了，AlGaN材料可以實現(xiàn)有效的相分離和載流子局域化現(xiàn)象。除此之外，實驗人員還通過理論計算模擬了AlGaN 多量子阱內(nèi)部的相分離現(xiàn)象以及勢阱、勢壘厚度不均一性對發(fā)光強度和波長的影響，理論計算與實驗都實現(xiàn)了十分吻合。

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)光特性提高到與藍光LED相媲美的高度，為高功率深紫外LED的大規(guī)模應用奠定實驗和理論基礎(chǔ)。

中國科大微電子學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)合中國科學院寧波材料所郭煒和葉繼春研究員，華中科技大學戴江南和陳長清教授，河北工業(yè)大學張紫輝教授，沙特阿卜杜拉國王科技大學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。