氮化鎵量子點(diǎn)與深紫外發(fā)光
文章來源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2014-02-14
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美國(guó)圣母大學(xué)(UND)正在開發(fā)一種新的深紫外(UV)光LED——氮化鎵量子點(diǎn)(QD)。
氮化鋁深UV LED被廣泛應(yīng)用于水處理、消毒、集成生物傳感器、固態(tài)照明以及光刻技術(shù)。“低功率、輕重量和耐用的深UV光源的用途將在很多其他領(lǐng)域出現(xiàn)。”
該研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)袖Debdeep Jena在低門檻激光領(lǐng)域也看到了市場(chǎng)潛力：“量子點(diǎn)需要比量子阱(QW)或雙異質(zhì)結(jié)激光更低的注入電流，因?yàn)榫S度減少了。在非常寬帶隙的半導(dǎo)體中，LED燈管，由于摻雜，自由載流子不會(huì)輕易地出現(xiàn)，從而量子點(diǎn)有源區(qū)對(duì)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(zhǎng)區(qū)最大效率僅為幾個(gè)百分點(diǎn))， led服裝照明，恒光電器，因?yàn)橄旅鎺讉�(gè)挑戰(zhàn)。主要的挑戰(zhàn)是難以向有源區(qū)注入足夠量的電子和空穴。另一個(gè)挑戰(zhàn)是空穴源會(huì)被束縛在氮化鎵或非常低鋁含量的AlGaN(帶隙比發(fā)光輻射窄)，這意味著發(fā)光電子被p型接觸(contact)大量吸收了。
研究人員認(rèn)為，與AlGaN QW相比，氮化鎵QD有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：“三維約束(confinement)可使電子和空穴免于發(fā)熱而導(dǎo)致失位和非輻射性復(fù)合。單層厚度使發(fā)光過程更能禁受量子局限史塔克效應(yīng)(QCSE，LED照明工程，當(dāng)InGaN/GaN 子井能帶結(jié)構(gòu)受到極化場(chǎng)的作用時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)會(huì)受到改變而傾斜。此時(shí)子井對(duì)載子的波函數(shù) ( wave function ) 產(chǎn)生空間局限效應(yīng)，電工照明，CCC認(rèn)證，電子與空穴重新分布， led商業(yè)照明，稱之為子局限史塔克效應(yīng)，并會(huì)造成幅射復(fù)合的能下，所以在發(fā)光頻譜上會(huì)呈現(xiàn)紅位移( red-shift ) 的現(xiàn)象，進(jìn)而影響多重子井的子效)。”
量子點(diǎn)器件中的這種電子和空穴能級(jí)的約束可增大帶隙，LED球泡燈，從而產(chǎn)生更高能量、波長(zhǎng)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(shì)壘的現(xiàn)象〕來實(shí)現(xiàn)，即通過校準(zhǔn)局限氮化鎵QD的電子與空穴能級(jí)的導(dǎo)電帶和價(jià)帶，而不是傳統(tǒng)器件的漂程- 擴(kuò)散(drift/diffusion )。隧道貫穿注入可避免自發(fā)熱效應(yīng)問題的出現(xiàn)。
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(shù)使用極化的變化以增強(qiáng)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(huì)消除空穴密度和導(dǎo)電性。
半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)是通過等離子體增強(qiáng)分子束外延在厚的藍(lán)寶石基氮化鋁上生長(zhǎng)。AlN成核層和緩沖層的生長(zhǎng)溫度為730°C。還要做成壓應(yīng)變氮化鎵量子點(diǎn)的有源區(qū)，ROSH認(rèn)證，因?yàn)榈X的晶格失配為2.4%。
氮化鎵量子點(diǎn)的光致發(fā)光因生長(zhǎng)時(shí)間和鎵通量的不同而不同。生長(zhǎng)時(shí)間從35秒減至25秒，鎵通量為6.2x10-8托，會(huì)使峰值波長(zhǎng)從2700nm減至246nm。而且在較長(zhǎng)波長(zhǎng)案例中會(huì)有第二峰值，這在更短波長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間為25秒，藍(lán)光漂移波長(zhǎng)會(huì)延至238nm。
這是一種2.6x10-7托的富鎵通量技術(shù)，CE認(rèn)證，但如果生長(zhǎng)時(shí)間先12秒再45秒，PL峰值波長(zhǎng)會(huì)短至234nm，相應(yīng)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(zhǎng)問題歸因于這種介入處理(interrupt process)，即鎵解吸導(dǎo)致量子點(diǎn)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(qū)有8層QD，辦公照明，兩顆器件采用25秒生長(zhǎng)方式，另一種采用12秒再接25秒催生生長(zhǎng)的介入式技術(shù)。
n型電子注入?yún)^(qū)包含225nm的硅摻雜AlGaN，117nm的p型空穴注入?yún)^(qū)通過不同技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其中一顆25秒生長(zhǎng)器件采用傳統(tǒng)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(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)器件采用0.97-0.77 grading (樣本 III)。
300μm x 300μm的LED是通過蝕刻臺(tái)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(kuò)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(shí)上，樣本I器件p型注入?yún)^(qū)的發(fā)光比QD還大，樣本II器件因QD而改善發(fā)光，LED照明企業(yè)，但其p型區(qū)的一些輻射轉(zhuǎn)化成較長(zhǎng)波長(zhǎng)，伴有漏電現(xiàn)象。
樣本III器件解決了漏電和下轉(zhuǎn)換問題，單個(gè)深UV峰值波長(zhǎng)為243nm (5.1eV)。漏電通過較厚載體進(jìn)行阻擋，下轉(zhuǎn)換通過寬帶隙和阻止QD光子重吸收解決。