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中国科大年夜等在半导体深紫外LED研究中取得停顿

2019-12-02 中国迷信技巧大年夜学
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  近期,中国迷信技巧大年夜学微电子学院孙海定和龙世兵课题组应用蓝宝石衬底斜切角调控量子阱完成三维载流子束缚,冲破了紫外LED发光性能。相干研究以Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate 为题发表于《先辈功能材料》。

  紫外线固然在太阳光中能量占比仅5%,但却广泛应用于人类生活。今朝紫外光应用包含印刷固化、货币防伪、皮肤病治疗、植物发展光照、破坏微生物如细菌、病毒等分子构造,是以广泛应用于空气杀菌、水体污染和固体外面除菌消毒等范畴。传统的紫外光源普通是采取汞蒸气放电的激起态来产生紫外线,有着功耗高、发热量大年夜、寿命短、反响慢、有安然隐患等诸多缺点。新型的深紫外光源则采取发光二极管(light emitting diode: LED)发光道理,相关于传统的汞灯具有诸多的长处。个中最为重要的优势在于其不含有毒汞元素。《水俣条约》的实施,预示2020年将周全禁止含有汞元素紫外灯的应用。是以,开辟出一种全新的环保、高效紫外光源,成为摆在人们眼前的一项重要挑衅。

  而基于宽禁带半导体材料(GaN,AlGaN)的深紫外发光二极管(deep ultraviolet LED: DUV LED)成为这一新应用的不二选择。这一全固态光源体系体积小、效力高,寿命长,仅仅是拇指盖大年夜小的芯片,便可以收回比汞灯还要强的紫外光。个中的奥妙重要取决于III族氮化物这类直接带隙半导体材料:导带上的电子与价带上的空穴复合,从而产生光子。而光子的能量则取决于材料的禁带宽度,迷信家们则可以经过过程调理AlGaN这类三元化合物中的元素组分,周详地完成不合波长的发光。但是,要想完成紫外LED的高效发光其实不总是那么轻易。研究者们发明,当电子和空穴复应时,其实不总是必定产生光子,这一效力被称为内量子效力(internal quantum efficiency: IQE)。

  孙海定和龙世兵课题组奇妙经过过程调控蓝宝石衬底的斜切角,大年夜幅晋升紫外LED的IQE和器件发光功率。课题组发明,当进步衬底的斜切角时,紫外LED外部的位错取得明显克制,器件发光强度明显进步。当斜切角衬底达到4度时,器件荧光光谱的强度晋升了一个数量级,而内量子效力也达到了破记载的90%以上。

  与传统紫外LED构造不合的是,这类新型构造外部的发光层——多层量子阱(MQW)内势阱和势垒的厚度其实不是均匀的。借助于高分辨透射电子显微镜,研究人员得以在微不雅标准分析仅仅只要几纳米的量子阱构造。研究注解,在衬底的台阶处,镓(Ga)原子会出现集合景象,这招致下场部的能带变窄,并且随着薄膜的发展,富Ga和富Al的区域会一向延长至DUV LED的外面,并且在三维空间内出现歪曲、弯折,构成三维的多量子阱构造。研究者们称这一特别的景象为:Al,Ga元素的相分别和载流子局域化景象。值得指出的是,在铟镓氮(InGaN)基的蓝光LED体系中,In由于和Ga其实不100%互溶,招致材料外部出现富In和富Ga的区域,从而产生局域态,促进载流子的辐射复合。但在AlGaN材料体系中,Al和Ga的相分别却很少见到。而此任务的重要意义之一就在于工资调理材料的发展形式,促进相分别,并是以大年夜大年夜改良了器件的发光特点。

  经过过程在4度斜切角衬底上优化内涵发展调理,研究人员摸索到了一种最好的DUVLED构造。该构造的载流子寿命逾越了1.60 ns,而传统器件中这一数值普通都低于1ns。进一步测试芯片的发光功率,科研人员发明其紫外发光功率比传统基于0.2度斜切角衬底的器件强2倍之多,如图所示。这加倍确信无疑地证清楚明了,AlGaN材料可以完成有效的相分别和载流子局域化景象。除此以外,实验人员还经过过程实际计算模仿了AlGaN 多量子阱外部的相分别景象和势阱、势垒厚度不均一性对发光强度和波长的影响,实际计算与实验都完成了非常吻合。

  此项研究将会为高效力的全固态紫外光源的研发供给新的思路。这类思路无需昂贵的图形化衬底,也不须要复杂的内涵发展工艺。而仅仅依附衬底的斜切角的调控和内涵发展参数的婚配和优化,就有望将紫外LED的发光特点进步到与蓝光LED相媲美的高度,为高功率深紫外LED的大年夜范围应用奠定实验和实际基本。

  孙海定为论文的第一作者和合营通信作者。该项目结合中国迷信院宁波材料迷信与工程研究所研究员郭炜和叶继春、华中科技大年夜学传授戴江南和陈长清、河北工业大年夜学传授张紫辉、沙特阿卜杜拉国王科技大年夜学传授Boon Ooi和Iman Roqan一路攻关完成。该研究任务取得国度天然迷信基金委、中科院、中国科大年夜等单位的支撑。部分样品加工工艺在中国科大年夜微纳研究与制造中间完成。

  论文链接

  图:在0.2和4度斜切角蓝宝石衬底上制备的深紫外LED光致发光光谱和器件表示图,有源区透射电子显微镜展示了高分辨多量子阱构造图,和输入功率的比较图。

打印 义务编辑:叶瑞优
  • 重费米子超导体UTe2的实际研究获停顿

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