基于锥形超晶格p-AlInGaN层的AlGaN基深紫外发光二极管性能优化

为了解决AlGaN基深紫外(DUV)发光二极管(LED)中的严重电子溢出和低空穴注入的问题,本文提出了一种新型锥形超晶格p-AlInGaN层,它大幅改善了基于AlGaN的DUV LED的光电特性.与传统结构相比,所提出结构的输出功率提高了337.8%;同时它的内部量子效率(IQE)也高达96%,并且没有效率下降现象.仿真计算结果表明,锥形超晶格p-AlInGaN层的引入明显增加了多量子阱(MQWs)内载流子的浓度并降低了量子阱(QWs)内的电场,导致了更高的辐射复合率,为改善DUV LED的性能提供了一个有吸引力的解决方案.

基于分离多量子垒电子阻挡层的AlGaN基深紫外发光二极管

通过分离多量子垒电子阻挡层(EBL)结构,实现了AlGaN基DUV-LED器件性能的提升。由仿真结果可得,与传统的块状EBL相比,采用分离多量子垒结构的EBL可以获得更高的空穴浓度和辐射复合速率。这得益于EBL中间的夹层形成了空穴加速区,使得空穴在加速区获得能量,从而提高了空穴注入效率。另外,多量子势垒结构还能够通过提高电子势垒有效抑制电子泄漏,从而大幅度提升器件性能。综上所述,多量子垒电子阻挡层的引入可以显著提升AlGaN基DUV-LED器件的性能。

超晶格电子阻挡层周期数对AlGaN基深紫外发光二极管性能的影响

在AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LEDs)中设计了具有不同周期数的超晶格电子阻挡层(SL-EBL)结构,研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs发光效率、I-V特性、可靠性及有源区载流子复合机制的影响.研究结果表明,随着SL-EBL的周期数增加,DUV-LEDs的光输出功率(LOP)、外量子效率(EQE)和电光转换效率(WPE)均呈先上升后下降的趋势,同时泄漏电流减小,可靠性提升.当周期数为7时(厚度为28 nm),DUV-LEDs裸芯的EQE和WPE均达到最大值,在7.5 mA注入电流下分别为3.5%和3.2%.能带模拟结果证明了增加SL-EBL周期数可以有效提升电子势垒高度,而几乎不改变空穴势垒高度.然而,当SL-EBL超过一定厚度时,抑制了空穴向有源区的注入,导致EQE和WPE随SL-EBL周期数变化出现拐点.研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs载流子复合机制的影响,发现增加SL-EBL周期数可以有效地降低有源区内载流子非辐射复合.

不规则H形量子势垒增强AlGaN基深紫外发光二极管性能

针对AlGaN基多量子阱中有效的平衡载流子注入问题,研究了有源区势垒层中Al组分调制形成的非规则H形量子势垒对AlGaN基深紫外发光二极管(LED)器件性能的影响及载流子的输运行为。研究发现,与多量子阱中常用的单Al组分势垒相比,加入Al组分较高的双尖峰势垒可以有效地提高内量子效率和光输出功率。进一步研究表明,电子在有源区因凸起的尖峰势垒而得到了有效的阻挡,减少了电子的泄露,而空穴获得更多的动能从而穿过较高的势垒进入有源区。因此,采用非对称H形量子势垒的深紫外LED器件中载流子输运实现了较好的平衡,量子阱中的载流子复合速率远高于普通的深紫外发光二极管。

俄歇复合、电子泄漏和空穴注入对深紫外发光二极管效率衰退的影响

研究了俄歇复合、电子泄漏和空穴注入对深紫外发光二极管(DUV LED)效率衰退的影响。结果表明,当俄歇复合系数从10^(-32) cm^(6)·s^(-1)增大到10^(-30) cm^(6)·s^(-1)时,俄歇复合对效率衰退的影响很小。当俄歇复合系数增大到10^(-29) cm^(6)·s^(-1)时,俄歇复合对效率衰退有显著的影响。然而,对于AlGaN材料而言,俄歇复合系数很难达到10^(-29) cm^(6)·s^(-1)。此外,本研究还发现,即使设置的俄歇复合系数等于10^(-32) cm^(6)·s^(-1),DUV LED的效率衰退依旧随着电子泄漏的增加而增大。因此,这进一步证明了电子泄漏是导致DUV LED效率衰退的主要因素。此外,本工作还证明了空穴注入效率的提高可以有效地抑制DUV LED的效率衰退问题,这主要是由于更多的电子与空穴在量子阱中复合产生了光子,降低了电子从有源区中泄漏的几率。

光子晶体反射镜对深紫外发光二极管性能的影响

通过三维有限时域差分(3D-FDTD)的光学模拟仿真计算,系统地研究了空气孔型光子晶体反射镜结构中各参数对AlGaN基深紫外发光二极管的光提取效率的影响。研究发现,光子晶体与垂直光线的共振模式主要是由光子晶体的周期决定,而光子晶体的填充率和高度会影响这种共振模式的强度,但是填充率会严重影响横向传播的横向磁(Transverse Magnetic,TM)极性光与光子晶体的散射作用。一个相对更大的填充率更有利于光子晶体对TM极性光的散射;而随着光子晶体中填充铝的深度增加,光子晶体对横向电(Transverse Electric,TE)极性光和TM极性光的散射作用都是先增加后减少,但是当填充深度太深时,金属结构将对TM极性光起到强烈的限制作用,急剧增加金属对TM极性光的吸收,从而使整体光提取效率大幅下降。在优化的条件下,相比没有光子晶体的结构,具有部分填充金属反射镜的光子晶体结构的深紫外发光二极管的TM极性和TE极性光提取效率分别提高了19倍和2倍。

具有复合最后一层势垒的A1GaN基深紫外发光二极管的制备及特性研究

文章对具有新研发的、由常规的未掺杂的最后一层量子势垒(u-LQB)和p型掺Mg最后一层量子势垒(p-LQB)构成的复合最后一层量子势垒(CLQB)的AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LED)进行了深入研究。研究结果表明,通过插入p-LQB并形成具有精心优化的Mg掺杂水平的CLQB,可显著提高DUV-LED的光输出功率。基于此成果,在使用优化的Mg掺入量下成功制备了输出功率较高的DUV-LED。在40 mA的注入电流下,与未插入p-LQB的样品相比,具有优化的p-CLQB的AlGaN基DUV-LED的光输出功率增加了约30%。此外,基于电致发光和光致发光谱表征结果,揭示了DUV-LED光输出功率获得显著改善的主要原因在于电子泄漏的减少和CLQB的采用所引起的空穴注入效率的提高。

具有复合最后一层势垒的AlGaN基深紫外发光二极管的制备及特性研究

本文研究了AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LED),其由常规未掺杂的最后一层量子势垒(u-LQB)和p型掺Mg最后一层量子势垒(p-LQB)复合而成最后一层量子势垒(CLQB)。研究结果表明,通过插入p-LQB并形成具有精心优化的Mg掺杂水平的CLQB,可显著提高DUV-LED的光输出功率。基于此成果,使用优化的Mg掺入量成功制备了输出功率较高的DUV-LED,在40 mA的注入电流下,与未插入p-LQB的样品相比,DUV-LED的光输出功率增加了约30%。而且,电致发光和光致发光谱表征结果表明,DUV-LED光输出功率获得显著改善的主要原因在于电子泄漏的减少和CLQB的采用所引起的空穴注入效率的提高。

氮化铝镓基深紫外发光二极管的研究进展

目前的氮化铝镓(AlGaN)基深紫外发光二极管(LED)与已全面商业化的氮化物蓝光LED相比,其外量子效率(EQE)仍旧处于较低水平。首先介绍了AlGaN基深紫外LED的发展现状,并分析了导致EQE低的原因。然后再分别从载流子注入效率、载流子辐射复合效率和光提取效率三个方面阐述了近年来AlGaN基深紫外LED在提高EQE方向上的研究进展。最后探讨了AlGaN基深紫外LED目前面临的挑战及其未来的发展机遇。

AlGaN基深紫外发光二极管空穴注入效率的提高途径

目前,发光波长短于360nm的深紫外发光二极管(DUV LEDs)的外量子效率(EQE)普遍低于10%。一方面,基于高AlN组分AlGaN材料量子阱的出光中存在大量的横磁(TM)模式的偏振光,这极大程度上降低了DUV LEDs器件的光提取效率(LEE);另一方面,受限于现阶段AlGaN材料的外延生长水平,DUV LEDs器件的晶体质量普遍比较差,增加了有源区内非辐射复合率,造成DUV LEDs器件内量子效率(IQE)的衰减。除此之外,载流子注入效率也严重影响着DUV LEDs器件的IQE,尤其是空穴注入效率。为此,研究人员开展了大量的研究来提高空穴注入效率,从而改善DUV LEDs器件的EQE。着重总结探讨了近年来提高DUV LEDs器件空穴注入效率的诸多措施,深刻揭示了其中的物理机理,对改善DUV LEDs的器件性能具有重要的意义。

AlGaN基深紫外微型发光二极管的研究进展(特邀)

随着AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)的发展,其不仅在杀菌消毒领域得到广泛应用,在日盲紫外光通信领域的应用也受到越来越多的关注。这主要是由于相比其他的紫外光源(如汞灯、激光),其具有功耗低、设计灵活且调制带宽高的优势。而DUV LED的带宽严重依赖于器件尺寸,器件尺寸越小,其带宽越高。但是,随着深紫外微型发光二极管(μLED)的尺寸减少,尽管其带宽得到提高,但是其光功率却急剧下降,这严重限制了深紫外μLED在光通信中的应用。文中主要总结了深紫外μLED作为日盲紫外光通信光源的研究现状和综合分析尺寸效应引起器件性能的变化及其机理;并分析出低的光提取效率和严重的自热效应是影响深紫外μLED光功率的两个主要因素。进而综述了各种提高深紫外μLED光提取效率和改善热学特性的方法。文中将为从事深紫外μLED研究的工作者提供一定的研究方向指导。

AlGaN基深紫外LED的可靠性研究及寿命预测

围绕AlGaN基深紫外LED的外延生长、工艺制备等因素对深紫外LED可靠性的影响以及加速寿命预测等方面开展了系统的研究。探索了量子垒(Quantum Barrier,简称QB)中Al组分、电子阻挡层(Electron Barrier Layer,简称EBL)中Al组分、同尺寸芯片不同台面面积等因素对深紫外LED可靠性的影响,确定QB结构Al组分为74%,EBL结构Al组分为75%,台面面积为P68。对优化后的深紫外LED设计了热、电应力老化试验,结合阿伦纽斯模型、逆幂律模型、指数最小二乘拟合对深紫外LED的寿命进行预测。实验结果表明,随着电、热应力的增加,深紫外LED可靠性随之降低,阿伦纽斯模型预测寿命为5027 h,逆幂律模型预测寿命为5400 h,正常工作电流40 mA下,深紫外LED实际寿命为5582 h,逆幂律模型预测精度较阿伦纽斯模型提升了6.7%。本研究将为提高深紫外LED的可靠性和产品应用普及提供坚实的理论基础。

深紫外LED散热性能的改善研究

深紫外发光二极管(DUV-LED)可广泛应用在杀菌消毒、生化检测、医疗健康和紫外通信等诸多领域。目前商用DUV-LED的电光转换效率通常不足5%,从而使LED发热严重、结温升高,进而导致LED出现峰值波长红移、光衰加剧、寿命缩短等一系列问题。在电光转换效率难以提高的背景下,提升DUV-LED的散热性能以降低其工作结温是十分必要的。热阻是反映LED散热性能的直接参数,其通常受导热面积、材料厚度、材料热导率等因素影响。本文系统研究了DUV-LED的芯片尺寸、焊接层填隙、导热硅脂和基板材质等因素对LED热阻的影响,并对固晶区和焊接层的厚度进行了仿真研究。研究结果表明,增大LED芯片尺寸、对焊接层进行填隙、基板与热沉间涂覆导热硅脂或者将Al基板更换为Cu基板等可以减小LED的热阻。针对商用20 mil×20 mil的275 nm DUV-LED,本研究将其热阻从22.19℃/W降低至12.83℃/W,在25℃环境下,电功率为0.669 W时芯片升温从14.69℃降低至8.49℃。仿真结果表明,LED工作结温随着固晶区或焊接层厚度的减小而线性降低,其中固晶区厚度每增加1 mm,芯片升温将提高44.82℃,因此可以通过适当减薄固晶区厚度来实现热阻的降低。

量子垒高度对深紫外LED调制带宽的影响

AlGaN基深紫外LED由于具有高调制带宽和小芯片尺寸,在紫外光通信领域受到越来越多的关注。本研究通过改变生长AlGaN量子垒层的Al源流量,生长了三种具有不同量子垒高度的深紫外LED,研究了量子垒高度对深紫外LED光电特性和调制特性的影响。研究发现,随着量子垒高度的增加,深紫外LED的光功率出现先增加后减小的趋势,量子垒中Al组分为55%的深紫外LED的光功率相比50%和60%的深紫外LED提升了近一倍。载流子寿命则出现先减小后增大的趋势,且发光峰峰值波长逐渐蓝移。APSYS模拟表明,随着量子垒高度增加,量子垒对载流子的束缚能力增强,电子空穴波函数空间重叠增加,载流子浓度和辐射复合速率增加;但进一步增加量子垒高度又会由于电子泄露,空穴浓度降低,从而辐射复合速率降低。量子垒中Al组分为55%的深紫外LED的-3 dB带宽达到94.4 MHz,高于量子垒Al组分为50%和60%的深紫外LED。

使用溅射AlN成核层实现大规模生产深紫外LED

高质量AlN薄膜对制造高性能深紫外器件非常重要,但是目前还很难使用大型工业MOCVD生长出高质量的AlN薄膜。采用磁控溅射制备了不同厚度的用作成核层的AlN薄膜,使用大型工业MOCVD直接在成核层上高温生长AlN外延层,研究了不同成核层对AlN外延层质量的影响。通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对成核层AlN薄膜的表面形貌进行表征;使用高分辨X射线衍射仪对AlN外延层晶体质量进行表征,结果表明:在溅射成核层上生长的AlN外延层的晶体质量有显著提高。使用大型工业MOCVD在蓝宝石衬底上成功制备出中心波长为282 nm的可商用深紫外LED,在注入电流为20 m A时,单颗深紫外LED芯片的光输出功率达到了1.65 m W,对应的外量子效率为1.87%,饱和光输出功率达到4.31 mW。

基于外延层转移的超薄垂直结构深紫外LED

AlGaN基深紫外(Deep ultraviolet,DUV)发光二极管(Light-emitting diode,LED)可用于杀菌、水体净化、光疗、固化、传感和非视距通信等场合,在生物、环境、工业、医疗和军事等领域具有广阔的应用前景。针对现阶段DUV LED外量子效率较低的问题,本文提出了一种超薄垂直结构的DUV LED方案。该方案基于蓝宝石-硅晶圆键合和物理减薄工艺实现了高质量DUV LED外延层从蓝宝石衬底到高导热硅基板的转移,并采用转移后亚微米厚度的超薄外延层制备出垂直结构的AlGaN DUV LED。器件的出光面在减薄工艺后无需特殊的化学处理便可实现纳米级的粗化,配合超薄外延层结构具备显著的失谐微腔效应,有助于破坏高阶波导模式,从而增加TM波的出光并提升器件的出光效率。测试表明,转移后的外延层厚度约为710 nm,制备出的DUV LED发光光谱峰值波长约为271 nm。该垂直结构DUV LED制备方案为实现高效DUV光源提供了可行路径。

钝化材料对深紫外LED器件性能的影响

对比研究了SiO2、聚酰亚胺薄膜、SiNx/旋涂玻璃(SOG)复合材料等钝化材料对倒装焊深紫外LED器件抑制漏电流恶化、改善器件可靠性的作用。实际测试结果表明,未钝化和采用SiO2、聚酰亚胺、SiNx/SOG复合钝化膜后,倒装焊紫外LED短路漏电比例分别为100%、100%、55%和18%,采用聚酰亚胺和SiNx/SOG复合钝化膜的器件点亮1 000h后光衰分别为67%和20%。分析表明,SiNx与SOG结合使用有效降低了表面电荷复合几率并改善了倒装焊短路问题;SOG还进一步降低了表面的粗糙度,改善了由于AlGaN外延表面上的深凹槽结构引起的器件漏电及倒装焊金属溢流的短路,从而大大提高了可靠性。

具有Al组分V型渐变电子阻挡层的深紫外LED设计与分析

为了使基于AlGaN外延材料的深紫外发光二极管(DUV LED)的内量子效率(IQE)随驱动电流的增大而降低的幅度减小,有助于DUV LED在一个较大的驱动电流区间可以稳定地工作,提出并研究具有Al组分V型渐变P型电子阻挡层(P-EBL)结构的DUV LED。通过Crosslight APSYS软件对常规P型电子阻挡层(P-EBL)和Al组分V型渐变P-EBL结构DUV LED的能带、极化体电荷、电子电流、空穴浓度、内量子效率、输出功率和自发辐射光谱进行了数值研究。结果表明,在260 mA电流注入时,相比常规P-EBL结构,Al组分V型渐变P-EBL结构DUV LED的效率降低的幅度减小了5.86%,改善了DUV LED输出性能。根据数值模拟和分析,器件输出性能改善的原因是Al组分三角形渐变P-EBL沿生长方向产生的极化体电荷,抵消P-EBL与最后一个量子垒层异质结界面处存在的极化面电荷,从而减小了界面处的极化电场。

基于铝镓氮深紫外光电技术的智能消毒装备研发与验证评价

目的:研制基于铝镓氮(AlGaN)深紫外光电技术的智能消毒装备,以实现消毒装备无汞、非接触、无残留、无污染和高效快速地完成物体表面消毒。方法:通过制作AlGaN高质量外延和全无机方式封装芯片,研发深紫外发光二极管(LED)和消毒模块。使用消毒模块、光学模组、电控模块结合人工智能(AI)技术研制智能消毒装备。结果:研制的智能高精度消毒机器人和手持消毒机等智能消毒装备以非接触、无残留和无污染的方式运行。输出可控C波段紫外线,输出中心波长275.1 nm、辐射强度18750μW/cm^(2)(标准工作距离)的紫外线。通过第三方机构对智能消毒装备进行测试,可实现在5 s内对新型冠状病毒等病原微生物灭活,灭活率为99.99%。研制的智能消毒装备为北京冬奥会、首都机场和医院等场所提供了可靠的智能消毒保障。结论:基于AlGaN深紫外光电技术的智能消毒装备无汞,以非接触、无残留、无污染和高效的方式,有效杀灭物体表面的病原微生物,能够完成各种环境的物体表面消毒。

AlGaN基深紫外LED新型透明电极芯片及阵列器件消毒效率研究

2019年新冠疫情席卷全球,给人类社会带来了巨大的影响和经济损失。AlGaN基深紫外发光二极管(DUVLED)作为新型高效消杀器件,引起了学术界广泛的研究,其中,深紫外透明电极对提升深紫外LED的光电性能至关重要。采用一种新型的高透明度(>90%)铜基核壳结构金属纳米丝(Cu@metal NSs)电极,实现深紫外LED光输出功率近一倍的提升。基于深紫外LED的阵列排布及配光优化,集成制造了180 mW深紫外LED消毒灯模组,经生物实验验证,对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的灭活率大于99.99%。更重要的是,高功率消毒器械对新型冠状病毒表现出大于99.9%的灭活性能。本工作有望推动未来新型结构的深紫外发光器件制造及其高效消杀应用。