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LED技术--氮化镓量子点与深紫外发光

作者:管理员 发表时间:2018/11/6 17:17:07 阅读:
美国圣母大学(UND)正在开发一种新的深紫外(UV)光LED——氮化镓量子点(QD)。
氮化铝深UV LED被广泛应用于水处理、消毒、集成生物传感器、固态照明以及光刻技术。“低功率、轻重量和耐用的深UV光源的用途将在很多其他领域出现。”
该研究团队的领袖Debdeep Jena在低门槛激光领域也看到了市场潜力:“量子点需要比量子阱(QW)或双异质结激光更低的注入电流,因为维度减少了。在非常宽带隙的半导体中,由于掺杂,自由载流子不会轻易地出现,从而量子点有源区对于电子注入的深UV激光很有吸引力。”
目前,氮化铝稼(AlGaN)QW LED的外量子效率(EQE)非常低(250nm波长区最大效率仅为几个百分点),因为下面几个挑战。主要的挑战是难以向有源区注入足够量的电子和空穴。另一个挑战是空穴源会被束缚在氮化镓或非常低铝含量的AlGaN(带隙比发光辐射窄),这意味着发光电子被p型接触(contact)大量吸收了。
研究人员认为,与AlGaN QW相比,氮化镓QD有两个优势:“三维约束(confinement)可使电子和空穴免于发热而导致失位和非辐射性复合。单层厚度使发光过程更能禁受量子局限史塔克效应(QCSE,当InGaN/GaN 量子井能带结构受到极化场的作用时,其能带结构会受到改变而倾斜。此时量子井对载子的波函数 ( wave function ) 产生空间局限效应,电子与空穴重新分布,称之为量子局限史塔克效应,并会造成幅射复合的能量下降,所以在发光频谱上会呈现红位移( red-shift ) 的现象,进而影响多重量子井的量子效率)。”
量子点器件中的这种电子和空穴能级的约束可增大带隙,从而产生更高能量、波长更短的光子。电子注入和空穴注入通过隧道贯穿〔指电子穿透势垒的现象〕来实现,即通过校准局限氮化镓QD的电子与空穴能级的导电带和价带,而不是传统器件的漂程- 扩散(drift/diffusion )。隧道贯穿注入可避免自发热效应问题的出现。
为解决p型空穴注入接触的问题,UND研究人员采用极化掺杂(polarization doping),从而可以使带隙较宽的AlGaN可用,而不是采用GaN。该技术使用极化的变化以增强镁掺杂的活化能力。通常,高铝含量的AlGaN具有非常高的活化能量,这会消除空穴密度和导电性。
半导体材料生长是通过等离子体增强分子束外延在厚的蓝宝石基氮化铝上生长。AlN成核层和缓冲层的生长温度为730°C。还要做成压应变氮化镓量子点的有源区,因为氮化铝的晶格失配为2.4%。
氮化镓量子点的光致发光因生长时间和镓通量的不同而不同。生长时间从35秒减至25秒,镓通量为6.2x10-8托,会使峰值波长从2700nm减至246nm。而且在较长波长案例中会有第二峰值,这在更短波长的QD总减少的更多。将镓通量减少至5.6x10-8托,生长时间为25秒,蓝光漂移波长会延至238nm。
这是一种2.6x10-7托的富镓通量技术,但如果生长时间先12秒再45秒,PL峰值波长会短至234nm,相应的光子能量为5.3eV。块体氮化镓在近 UV(~365nm)。
研究人员将这种较短波长问题归因于这种介入处理(interrupt process),即镓解吸导致量子点更小更局限。2.7nm的氮化铝载体中的QD高度为0.58nm。
LED有源区有8层QD,两颗器件采用25秒生长方式,另一种采用12秒再接25秒催生生长的介入式技术。
n型电子注入区包含225nm的硅掺杂AlGaN,117nm的p型空穴注入区通过不同技术实现。其中一颗25秒生长器件采用传统的一致镁掺杂Al0.5Ga0.5N层(样本I)。其他两种样本采用极化掺杂(含有x值grading的镁掺杂AlxGa1-xN,通过在生长时改变铝通量)。第二颗25秒器件的grading是从0.5减至0.25 (样本 II)。第三课介入式生长器件采用0.97-0.77 grading (样本 III)。
300μm x 300μm的LED是通过蚀刻台做成的,将钛、铝、镍、金在n型表面曝光,并在n型表面做一层薄的镍金透明电流扩散电极,并沉积钛金p型接触垫。
 
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