深紫外发光二极管（DUV-LED）的机遇与挑战

封面展示了传统的深紫外发光二极管（DUV-LED）倒装芯片的出光示意图。器件工作时，空穴和电子分别从p型区和n型区进入到量子阱中复合发光，但只有很小一部分光可以从器件底部出射，最终实现有效的光提取。造成器件光效严重损耗的原因主要有三类，即量子阱偏振度低、界面全反射、以及器件顶部光吸收。深入剖析以上关键科学问题及相关技术创新，有助于精准突破光提取壁垒，实现高性能器件。

一、背景介绍

波长短于280 nm的深紫外（DUV）光源应用广泛，覆盖环境、食品、公共卫生、通讯等多个领域，成为人民生活和**建设的一部分。随着《关于汞的水俣公约》的生效，以水银灯为代表的含汞气态紫外光源将，巨大的应用市场需求使得新一代深紫外光源的研发迫在眉睫。相比于传统的气态汞灯，铝镓氮（AlGaN）基深紫外发光二极管（DUV-LED）作为一种新型固态紫外光源，具有环保安全、小巧便携、效率高、寿命长等突出优势，因而受到广泛关注，有望逐步替代汞灯进入主流市场。在迫切的需求带动下，围绕高性能AlGaN基DUV-LED的材料与器件研究也快速发展，成为当前III族氮化物宽禁带半导体光电子领域的主要发展方向之一。

目前，DUV-LED的应用主要集中在杀菌消毒场景。用于表面快消的小尺寸紫外光源产品已逐步推向市场，且随着芯片性能的不断提升，应用于医院、高校等大型公共场所的大功率表杀LED模组也被推出，并受到广泛关注。需要指出的是，现阶段DUV-LED商用芯片的电光转换效率（WPE）普遍低于6%，远不能满足全面替代汞灯的需求，还限制了其向大规模水处理等重要领域的应用扩展和普及，而造成这一现状的关键因素是器件极低的光提取效率（LEE）。深入剖析光提取难题有助于精准突破技术壁垒，实现高性能器件。下面将从光提取效率提升所面临的三大关键科学技术问题出发，梳理相关技术创新和研究进展，以掌握本领域国际发展动态。

二、关键技术进展

（1）AlGaN量子阱偏振度调控及TM光提取

高Al组分AlGaN量子阱的横磁模式（TM模式）发光占比较高，其面内传播的特点导致在倒装芯片中无法被有效提取。针对这一问题，国际目前一般采用两种技术路线，即通过能带调制提高量子阱的偏振度，或通过调控出光路径提取TM偏振光。

偏振度调控的关键在于调制量子阱价带子带的相对能级位置。理论和实验证明，对量子阱施加压应力、或通过减小量子阱宽度来增强量子限域，均可实现AlGaN价带子带重排，从而增强垂直出射的TE模式的发光占比，如图1（a）所示。此外，以量子限域为目的，研究人员提出可采用阶梯阱实现子带能级位置的调制，并从实验上证明了该结构具有提升量子阱发光偏振度的效果。该方法可打破常规金属有机源化学气相沉积（MOCVD）方法难以实现超薄量子阱厚度精细控制的局限，降低高性能器件大规模制备的难度。

TM光提取方面，侧壁反射镜被证明是有效的技术手段。如图1（b）所示，通过在量子阱侧壁覆盖对紫外光具有较高反射率的金属Al，可将传播至此处的光线反射到器件背面的出光锥内，提高TM偏振光的提取效率。值得注意的是，侧壁反射镜应用在微米尺度的LED中效果更为显著，相较于传统大尺寸芯片，微米LED有源区台面周长与面积的比例更大，可降低光在长距离横向传播过程中的散射及吸收损耗，从而增加侧壁出光的占比。

图1（a）应力及量子限域对量子阱能带和偏振度的调控示意图；（b）基于侧壁反射镜的器件构型示意图

（2）光出射界面全反射角的破解途径

光的全反射发生在具有不同折射率的两层材料界面处。就DUV-LED器件而言，该现象主要出现在AlGaN/AlN、AlN/蓝宝石衬底、蓝宝石衬底/空气界面。因此，针对光的全反射问题，研究焦点在于如何破除以上三类界面的全反射角，以达到提升器件光提取效率的目的。

AlGaN/AlN和AlN/蓝宝石衬底界面均属于外延层内部界面，主要通过在外延过程中引入空气孔隙或倾斜侧壁来改变光的传播路径，如利用电化学腐蚀方法在n-AlGaN和底层材料之间制备如图2（a）所示的纳米多孔AlGaN模板（NPT）；或采用纳米图形化蓝宝石衬底（NPSS），利用侧向外延侧壁改变光线出射方向，从而打破传统平直界面全反射角对出光的限制。对于蓝宝石衬底/空气界面的全反射问题，通常在后续器件制备过程中进行衬底糙化处理，或采用半球形透镜封装的方法，引导光线进入出光锥。

以上界面处理的方法可以在一定程度上削弱全反射对光提取的影响，但要解决这一问题，的手段是采用AlN单晶同质衬底，或去除衬底制备薄膜倒装芯片（TFFC），并以糙化的、或具有特定纳米结构的外延层表面为出光面，从而增大光的出射角度，如图2（b）所示。因此寻求无损衬底剥离技术、或开发基于AlN单晶衬底的器件研制工艺应是未来的努力方向。

图2（a）纳米多孔AlGaN模板（NPT）上n-AlGaN的截面SEM图；（b）TFFC器件构型示意图

（3）紫外光吸收的抑制途径

DUV-LED通常采用p-GaN作为顶部接触层，以满足空穴供给和欧姆接触的需求。但由于GaN的禁带宽度小于深紫外光子能量，传播至p型区的光几乎被GaN和其上的金属电极吸收。因此，解决光吸收问题应从高透明p型层及高反射p型电极制备两方面入手。

高效掺杂的p-AlGaN制备是现阶段解决外延层吸收问题的关键突破口，其的难点在于Mg掺杂剂在AlGaN中的激活能较高。针对这一问题，研究人员提出采用超晶格掺杂的方法，如图3（a）所示，通过Al组分差异引起价带及Mg杂质能级的周期性振荡，使能量低于或接近费米能级的Mg受主易于被离化，从而降低激活能，提高空穴浓度。此外，极化诱导掺杂也被认为是提高Mg在p-AlGaN中离化率的另一种重要手段，如图3（b）所示，通过采用Al组分渐增的N极性AlGaN放大极化效应，从而在其中引入负极化体电荷，诱导空穴从Mg受主能级向价带离化，以此实现高空穴浓度的p-AlGaN。

高反射电极的制备需同时兼顾紫外光反射率和欧姆接触特性。目前研究发现可满足以上两方面条件的一个选择是单层金属电极Rh。但鉴于贵金属Rh的成本较高，研究人员提出了复合电极的技术路线，即薄金属接触层保证欧姆接触和透光率、厚反射层金属提高电极反射率，并基于该思路，开发了Ni/Mg、Ni/Au/Al、Rh/Al等多种高反射p型电极来提升器件光提取效率。后续关于复合电极的产业化应用，需进一步验证薄接触层在器件工作过程中的稳定性。

图3（a）超晶格掺杂的原理；（b）极化诱导掺杂的作用机理

三、总结与展望

AlGaN基DUV-LED是III族氮化物宽禁带半导体光电子领域的主要研究方向之一，在紫外光源市场需求巨大。但目前DUV-LED性能的进一步突破面临光提取效率低下的瓶颈，其原因主要有：量子阱光学偏振度低，不利于倒装芯片底部光提取；多层材料之间折射率差异大，导致大量紫外光因界面全反射被限制在芯片内部；器件顶部用于提供空穴的窄禁带p-GaN层及其上的金属电极对紫外光吸收强烈，造成严重的光损耗。本文从以上因素入手，总结了近年来该领域针对这三类问题所做的技术创新。其中，光学偏振方面，有源区微型化在提升TM偏振光提取效率方面具有很大潜力，有望成为未来器件发展的主流构型；光学反射方面，消除衬底与空气界面的全反射是的解决方案，寻求无损剥离衬底技术及基于AlN单晶衬底的器件研制应是未来的努力方向。光学吸收方面，高透明高Al组分p-AlGaN及高反射p型电极研究应同步进行；同时，新的光学现象，如微纳结构下的光/电子振荡、耦合等也值得进一步探究。总的来看，DUV-LED的器件性能在过去二十年飞速发展，但要满足规模商用芯片的需求还需光提取效率的进一步突破，这将依赖于新路线和新技术的进一步探索。

参考文献： 中国光学期刊网

您好，可以免费咨询技术客服[Daisy]

 筱晓(上海)光子技术有限公司

欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产品链接给您。

免责声明：

资讯内容来源于互联网，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请联系我们将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。