通常，國(guó)際上將波長(zhǎng)小于400nm的電磁波稱為紫外線。其中，波長(zhǎng)小于300 nm的深紫外即DUV波段，可以誘導(dǎo)DNA/RNA產(chǎn)生嘧啶二聚體妨礙DNA/RNA的復(fù)制，被認(rèn)為是殺菌消毒的最佳波段。并且在目前全球流行的新冠疫情中，研究表明，僅需要10s的深紫外光照射，新冠病毒的滅活率能達(dá)到99.9%。因此，深紫外光源的重要性不言而喻，而AlGaN基深紫外LED具有波長(zhǎng)可調(diào)、小巧便攜、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為不可替代的新型紫外光源，同時(shí)也是國(guó)際前沿研究及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的熱點(diǎn)問題。

 

近日，由第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）、國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）聯(lián)合主辦，北京麥肯橋新材料生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)共同承辦的第七屆國(guó)際第三代半導(dǎo)體論壇暨第十八屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（IFWS & SSLCHINA 2021）在深圳會(huì)展中心舉行。

期間，“固態(tài)紫外材料與器件技術(shù)“論壇上，北京大學(xué)王柳冰做了題為“通過引入透明復(fù)合p型層和Ag納米點(diǎn)/Al反射電極相結(jié)合提高深紫外LED的光提取效率”的主題報(bào)告。結(jié)合深紫外LED的研究背景，分享了兼顧深紫外LED電學(xué)特性和光學(xué)特性的技術(shù)手段，以及取得的研究成果。

 

報(bào)告指出，經(jīng)過國(guó)內(nèi)外課題組20多年的研究，目前AlGaN基深紫外LED性能已經(jīng)得到明顯的提升，但是深紫外LED的外量子效率仍處于很低的水平，報(bào)道的最高外量子效率僅有20.3%，但是普遍低于10%，相比于藍(lán)光LED 高于80%的外量子效率來說，差距仍然很大。

 

深紫外LED的外量子效率由載流子注入效率、內(nèi)量子效率和光提取效率三者共同決定，前兩者國(guó)際上經(jīng)過20多年的努力，目前都能做到80%的水準(zhǔn)。然而在深紫外波段，光提取效率受到材料的吸收、偏振與折射率差異的限制。目前國(guó)際上沒有很好的解決方法，普遍的光提取效率都低于10%，成為制約深紫外LED發(fā)光器件性能提升的關(guān)鍵瓶頸。其中針對(duì)頂部p-GaN層與p型接觸電極吸收問題，國(guó)際上普遍采取的是反射思路。

 

用透明p-AlGaN層取代p-GaN層，并采用高反射電極，將量子阱向p區(qū)發(fā)射的光線反射到藍(lán)寶石一側(cè)提取?？梢钥吹竭@樣的解決思路，外量子效率有大幅的提升。但是由于透明p-AlGaN層上歐姆接觸難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致器件電壓很高！電學(xué)特性的惡化對(duì)于器件的長(zhǎng)期工作是十分不利的。因此保證電學(xué)特性并提高深紫外LED的光提取效率十分必要。

 

針對(duì)提升光提取效率中，p-GaN層吸收紫外光與p-AlGaN層上形成歐姆接觸困難的問題，研究設(shè)計(jì)了一種透明復(fù)合p型層結(jié)構(gòu)，包括一層高透明p-AlGaN層和一層幾納米厚的p-GaN層。通過計(jì)算，將P-GaN的厚度從普遍采用的100nm減薄到10nm，就能使二次透光率提升70%，極大地減小了厚p-GaN層對(duì)深紫外光的強(qiáng)烈吸收，同時(shí)解決了p型歐姆接觸困難的問題。

進(jìn)一步，針對(duì)p型接觸金屬對(duì)深紫外光的吸收,設(shè)計(jì)了Ag 納米點(diǎn)/Al 反射電極。Ag是與p-GaN形成歐姆接觸常用的金屬，但是Ag金屬薄膜對(duì)深紫外光吸收強(qiáng)烈。我們利用Ag在一定溫度下會(huì)團(tuán)簇的特性，形成銀納米點(diǎn)降低占空比，增大透射率。未被Ag納米點(diǎn)覆蓋的區(qū)域通過深紫外波段反射率最高的Al金屬實(shí)現(xiàn)光的反射。在保證歐姆接觸形成的前提下，提高反射率。

 

基于以上討論，兼顧深紫外LED的電學(xué)特性和光學(xué)特性，研究提出了一種新型器件結(jié)構(gòu)，即通過引入透明復(fù)合p型層和Ag納米點(diǎn)/Al反射電極制備出深紫外LED器件，并與傳統(tǒng)的器件結(jié)構(gòu)作對(duì)比，以此來驗(yàn)證我們提出的創(chuàng)新方法對(duì)于提升深紫外LED光提取效率的可行性。

 

研究結(jié)果顯示，研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了高透明復(fù)合p型層與Ag納米點(diǎn)/Al電極相結(jié)合的新型深紫外LED結(jié)構(gòu)，在保證電學(xué)性能的基礎(chǔ)上提高了光提取效率。復(fù)合p型層包括一層高透明p-AlGaN層和幾納米厚的p-GaN層，分別作為空穴提供層和歐姆接觸層；Ag納米點(diǎn)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸，Al實(shí)現(xiàn)反射，反射率為69%，是傳統(tǒng)Ni/Au電極的兩倍多?；谠撔滦徒Y(jié)構(gòu)制備了發(fā)光波長(zhǎng)為282.6 nm的DUV-LED，最大光輸出功率和外量子效率為11.1 mW和1.76%，相較于傳統(tǒng)Ni/Au電極結(jié)構(gòu)的LED，分別提高了52%和58%。

 

 

（內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料整理，如有出入敬請(qǐng)諒解）