氮化鎵量子點與深紫外發光

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-02-14

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美國圣母大學(UND)正在開發一種新的深紫外(UV)光LED——氮化鎵量子點(QD)。

氮化鋁深UV LED被廣泛應用于水處理、消毒、集成生物傳感器、固態照明以及光刻技術。“低功率、輕重量和耐用的深UV光源的用途將在很多其他領域出現。”

該研究團隊的領袖Debdeep Jena在低門檻激光領域也看到了市場潛力：“量子點需要比量子阱(QW)或雙異質結激光更低的注入電流，因為維度減少了。在非常寬帶隙的半導體中，LED燈管，由于摻雜，自由載流子不會輕易地出現，從而量子點有源區對于電子注入的深UV激光很有吸引力。”

目前，氮化鋁稼(AlGaN)QW LED的外量子效率(EQE)非常低(250nm波長區最大效率僅為幾個百分點)， led服裝照明，恒光電器，因為下面幾個挑戰。主要的挑戰是難以向有源區注入足夠量的電子和空穴。另一個挑戰是空穴源會被束縛在氮化鎵或非常低鋁含量的AlGaN(帶隙比發光輻射窄)，這意味著發光電子被p型接觸(contact)大量吸收了。

研究人員認為，與AlGaN QW相比，氮化鎵QD有兩個優勢：“三維約束(confinement)可使電子和空穴免于發熱而導致失位和非輻射性復合。單層厚度使發光過程更能禁受量子局限史塔克效應(QCSE，LED照明工程，當InGaN/GaN 子井能帶結構受到極化場的作用時，其能帶結構會受到改變而傾斜。此時子井對載子的波函數 ( wave function ) 產生空間局限效應，電工照明，CCC認證，電子與空穴重新分布， led商業照明，稱之為子局限史塔克效應，并會造成幅射復合的能下，所以在發光頻譜上會呈現紅位移( red-shift ) 的現象，進而影響多重子井的子效)。”

量子點器件中的這種電子和空穴能級的約束可增大帶隙，LED球泡燈，從而產生更高能量、波長更短的光子。電子注入和空穴注入通過隧道貫穿〔指電子穿透勢壘的現象〕來實現，即通過校準局限氮化鎵QD的電子與空穴能級的導電帶和價帶，而不是傳統器件的漂程- 擴散(drift/diffusion )。隧道貫穿注入可避免自發熱效應問題的出現。

為解決p型空穴注入接觸的問題，LED照明工程，LED-T5一體化燈管，UND研究人員采用極化摻雜(polarization doping)，從而可以使帶隙較寬的AlGaN可用，而不是采用GaN。該技術使用極化的變化以增強鎂摻雜的活化能力。通常，高鋁含量的AlGaN具有非常高的活化能量，這會消除空穴密度和導電性。

半導體材料生長是通過等離子體增強分子束外延在厚的藍寶石基氮化鋁上生長。AlN成核層和緩沖層的生長溫度為730°C。還要做成壓應變氮化鎵量子點的有源區，ROSH認證，因為氮化鋁的晶格失配為2.4%。

氮化鎵量子點的光致發光因生長時間和鎵通量的不同而不同。生長時間從35秒減至25秒，鎵通量為6.2x10-8托，會使峰值波長從2700nm減至246nm。而且在較長波長案例中會有第二峰值，這在更短波長的QD總減少的更多。將鎵通量減少至5.6x10-8托，LED照明品牌，生長時間為25秒，藍光漂移波長會延至238nm。

這是一種2.6x10-7托的富鎵通量技術，CE認證，但如果生長時間先12秒再45秒，PL峰值波長會短至234nm，相應的光子能量為5.3eV。塊體氮化鎵在近 UV(~365nm)。

研究人員將這種較短波長問題歸因于這種介入處理(interrupt process)，即鎵解吸導致量子點更小更局限。2.7nm的氮化鋁載體中的QD高度為0.58nm。

LED有源區有8層QD，辦公照明，兩顆器件采用25秒生長方式，另一種采用12秒再接25秒催生生長的介入式技術。

n型電子注入區包含225nm的硅摻雜AlGaN，117nm的p型空穴注入區通過不同技術實現。其中一顆25秒生長器件采用傳統的一致鎂摻雜Al0.5Ga0.5N層(樣本I)。其他兩種樣本采用極化摻雜(含有x值grading的鎂摻雜AlxGa1-xN，通過在生長時改變鋁通量)。第二顆25秒器件的grading是從0.5減至0.25 (樣本 II)。第三課介入式生長器件采用0.97-0.77 grading (樣本 III)。

300μm x 300μm的LED是通過蝕刻臺做成的，將鈦、鋁、鎳、金在n型表面曝光，并在n型表面做一層薄的鎳金透明電流擴散電極，并沉積鈦金p型接觸墊。

圖1: GaN/AlN QD UV LED截面圖：樣本I：73%n-AlGaN、50% p-AlGaN;樣本II：80% n-AlGaN、50%–25% p-AlGaN;樣本III：77% n-AlGaN、97%–77% p-AlGaN。

樣本III器件也阻擋電子過流(圖1和2)。事實上，樣本I器件p型注入區的發光比QD還大，樣本II器件因QD而改善發光，LED照明企業，但其p型區的一些輻射轉化成較長波長，伴有漏電現象。

樣本III器件解決了漏電和下轉換問題，單個深UV峰值波長為243nm (5.1eV)。漏電通過較厚載體進行阻擋，下轉換通過寬帶隙和阻止QD光子重吸收解決。