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UV LED新型深紫外线LED

深紫外线LED 紫外线LED

近期,中国科大微电子学院孙海定和龙世兵课题组关于利用蓝宝石衬底斜切角调控量子阱实现三维载流子束缚,突破了紫外LED发光性能的重要进展。

虽然紫外线在太阳光中能量占比仅5%,但在人类生活中应用广泛。目前,紫外光广泛应用于水净化、光固化和杀菌消毒等领域。传统的紫外光源一般是采用汞蒸气放电的激发态来产生紫外线,有着发热量大、功耗高、反应慢、寿命短和安全隐患等诸多缺陷。而新型的深紫外光源则采用发光二极管(LED)发光原理,相对于传统的汞灯拥有诸多的优点。其中,重要的优势在于其不含有毒汞元素。《水俣公约》的实施,预示2020年将全面禁止含有汞元素紫外灯的使用。因此,开发出一种全新的环保、高效紫外光源,成为了摆在人们面前的一项重要挑战。

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由此,基于宽禁带半导体材料(氮化镓、氮化镓铝)的深紫外发光二极管(UV LED)成为这一新应用的不二选择。这一全固态光源体系效率高、体积小、寿命长,而且不过是拇指盖大小的芯片,就能发出比汞灯还要强的紫外光。这里面的奥秘主要取决于III族氮化物这种直接带隙半导体材料:导带上的电子与价带上的空穴复合时,产生光子。光子的能量则取决于材料的禁带宽度,所以科学家们可以通过调节氮化镓铝(AlGaN)这种三元化合物中的元素组分来实现不同波长的发光。但是,要想实现UV LED的高效发光并不总是那么简单的事情。科学家们发现当电子和空穴复合时,并不总是一定产生光子,这一效率被称之为内量子效率(IQE)。

与传统紫外LED结构不同的是,这种新型结构内部的发光层——多层量子阱(MQW)内势阱和势垒的厚度并不是均匀的。借助于高分辨投射电子显微镜,研究人员得以在微观尺度分析仅仅只有几纳米的量子阱结构。研究表明,在衬底的台阶处,镓(Ga)原子会出现聚集现象,这导致了局部的能带变窄,并且随着薄膜的生长,富Ga和富AI的区域会一直延伸至DUV LED的表面,并且在三维空间内出现扭曲、弯折、形成三维的多量子阱结构。研究者们称这一特殊现象为:AI、Ga的元素的相分离和载流子局域化现象。值得指出的是,在铟镓氮(lnGaN)基的蓝光LED体系中,ln由于和Ga并不100%互溶,导致材料内部出现富ln和富Ga的区域,从而产生局域态,促进的载流子的辐射复合。但在AlGaN材料体系中,Al和Ga的相分离却很少见到。而此工作的重要意义之一就在于人为调节材料的生长模式,促进相分离,并因此大大改善了器件的发光特性。

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此项研究将会为高效率的全固态紫外光源的研发提供新的思路。这种思路无需昂贵的图形化衬底,也不需要复杂的外延生长工艺。而仅仅依靠衬底的斜切角的调控和外延生长参数的匹配和优化,就有望将紫外LED的发光特性提高到与蓝光LED相媲美的高度,为高功率深紫外LED的大规模应用奠定实验和理论基础。

 

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