全球128個(gè)國家簽署的《聯(lián)合國水俁公約》已于2017年8月在中國正式生效，條約明令各國從2020年起禁止生產(chǎn)及進(jìn)出口各種含有汞的制品，傳統(tǒng)汞燈將被禁止生產(chǎn)和銷售。發(fā)展環(huán)保節(jié)能的新型紫外固態(tài)光源，替代目前應(yīng)用廣泛的紫外汞燈，已成為殺菌消毒和固化曝光領(lǐng)域迫切的需要。基于第三代半導(dǎo)體材料AlGaN的紫外LED對肆虐的新型冠狀病毒具有明顯的殺滅效果，因而得到國內(nèi)外各界的高度關(guān)注。不同于成熟的藍(lán)光LED，由于紫外LED的核心材料具有更低的In含量和更高的Al含量，這使得外延層缺陷密度高、p-AlGaN材料中空穴濃度低、極化效應(yīng)強(qiáng)、載流子輸運(yùn)不平衡等問題極為突出。因此，紫外LED的發(fā)光效率仍遠(yuǎn)低于成熟的藍(lán)光LED。當(dāng)發(fā)光波長低于370 nm時(shí)，紫外LED更是面臨著發(fā)光效率驟降的難題，成為阻礙其高端應(yīng)用的最大障礙。
針對以上問題，廣東省科學(xué)院半導(dǎo)體研究所先進(jìn)材料平臺從材料生長和器件設(shè)計(jì)兩方面對紫外LED展開了較系統(tǒng)深入的技術(shù)研發(fā)。首先，采用MOCVD精細(xì)生長模式調(diào)控技術(shù)成功制備出高質(zhì)量AlGaN材料和高內(nèi)量子效率的AlGaN量子阱；同時(shí)，研究人員采用極化場調(diào)控技術(shù)和能帶工程，將多元合金p-AlInGaN/AlGaN短周期超晶格材料（SPSL）引入到AlGaN基紫外LED的電子阻擋層（EBL）結(jié)構(gòu)中，成功研制出高內(nèi)量子效率的紫外LED器件。結(jié)果表明SPSL-EBL能改善紫外LED器件的載流子傳輸特性，降低器件的開啟電壓，使得發(fā)光波長在368 nm的紫外LED器件發(fā)光效率比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高了101.6%，此項(xiàng)研究將會為高效率的全固態(tài)紫外光源的研發(fā)開辟新路徑。
以上部分工作結(jié)果近日發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Journal of Materials Chemistry C》。
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https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TC/D1TC02191E#!divAbstract (DOI: 10.1039/D1TC02191E)
圖1 (a) 基于p-AlInGaN/AlGaN SPSL-EBL的紫外LED器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 368 nm紫外LED外延片（左）和晶圓上的芯片照片（右）。
圖2 (a)- (d)和(e)- (h)分別為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基于SPSL-EBL結(jié)構(gòu)的紫外LED截面STEM圖，兩種樣品的晶體質(zhì)量良好，各異質(zhì)結(jié)界面清晰；(j)和(k)分別為傳統(tǒng)紫外LED基于SPSL紫外LED在200mA正向電流注入下的點(diǎn)亮照片，芯片B的紫外光功率相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的紫外LED提高了101.6%
