中國科大在半導(dǎo)體深紫外LED研究中取得重要進(jìn)展

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》。

紫外線雖然在太陽光中能量占比僅5%，但卻廣泛應(yīng)用于人類生活。目前紫外光應(yīng)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(xì)菌、病毒等分子結(jié)構(gòu)，因此廣泛應(yīng)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(yīng)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(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)。

而基于寬禁帶半導(dǎo)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(yīng)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(qiáng)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(dǎo)體材料：導(dǎo)帶上的電子與價帶上的空穴復(fù)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(xué)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(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(internal quantum efficiency: IQE)。

中國科大微電子學(xué)院孫海定和龍世兵教授課題組，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。課題組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(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。

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(dǎo)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(lán)光LED體系中，In由于和Ga并不100%互溶，導(dǎo)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(jìn)的載流子的輻射復(fù)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(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。