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紫外发光二极管发展现状及展望

2017-03-07 11:49
PokerJoker
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紫外波段依据波长通常可以划分为: 长波紫外或UVA(320<λ≤400 nm)、中波紫外或UVB(280<λ≤320 nm)、短波紫外或UVC(200<λ≤280 nm)以及真空紫外VUV(10<λ≤200 nm)[1]。紫外发光二极管(LED)因其在激发白光、生化探测、杀菌消毒、净化环境、聚合物固化以及短距离安全通讯等诸多应用领域有着巨大的潜在应用价值而备受关注。此外,基于氮化铝镓(AlGaN)材料的紫外LED也是目前氮化物技术发展和第三代半导体材料技术发展的主要趋势,拥有广阔的应用前景。目前全球紫外光源市场规模约为4.27亿美元,不过传统紫外汞灯仍然占据市场主导地位。与传统紫外汞灯相比,AlGaN基紫外LED有着长寿命、低电压、波长可调、环保、方向性好、迅速切换、耐震耐潮、轻便灵活等众多优点。随着技术的发展,将成为未来新型应用的主流。

目前国际上在紫外LED领域技术水平处于先进行列的机构以美国和日本居多,如美国的南卡罗来纳州立大学、SETi公司、北卡罗莱纳州立大学、CrystalIS公司,日本的名城大学、名古屋大学、理化研究所、NTT基础研究实验室、Nikisso公司,此外还有柏林工业大学,韩国首尔半导体与LGInnotek,等等。国内研究机构以中国科学院半导体研究所为代表,长期引领国内本领域的技术发展,并与北京大学、厦门大学、西安电子科技大学通过合作研究,共同推动了自主技术持续进步。在国内紫外LED的产业化方面,圆融光电(青岛杰生)公司较早推出了深紫外产品;中科优唯公司通过与中国科学院半导体研究所深度合作,在深紫外LED的外延芯片上游领域布局并取得突破;以鸿利智汇、国星光电为代表的中游封装公司也相继推出了各自的深紫外LED产品

图1从深紫外LED的发光波长与外量子效率(EQE)的角度[2-4],总结了主要研究机构和公司在深紫外LED领域报导的代表性结果。可以看出,深紫外LED的EQE基本不超过10%,大部分量子效率在5%以下。实际上,目前可购买的UVB、UVC波段LED产品的量子效率往往只有1%—2%。这与浅紫外和蓝光LED的水准显然相去甚远。

图2所示为蓝宝石衬底上典型的UV-LED外延结构图。与GaN基蓝光LED相比,深紫外LED的研制面临着许多独特的技术困难,如:高Al组分AlGaN的材料的外延生长困难,一般而言,Al组分越高,晶体质量越低,位错密度普遍在109cm-2—1010cm-2乃至更高; AlGaN材料的掺杂与GaN相比要困难得多,不论n型掺杂还是p型掺杂,随着Al组分的增加,外延层的电导率迅速降低,尤其是p-AlGaN的掺杂尤为棘手,掺杂剂Mg的激活效率低下,导致空穴不足,导电性和发光效率锐降;同时紫外LED往往在平面蓝宝石衬底上外延生长,出光效率低,等等。针对这些技术难点,目前已经发展出一些解决方案,如AlN同质衬底技术[5]、纳米图形衬底外延技术(NPSS)[6]和透明p型层技术[7]等等。

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