微米和纳米科技材料

技术荟|美方采用纳米阵列结构生长深紫外LED,有望突破光效瓶颈

导读

近日,来自美国和加拿大的研究人员联合发布采用铝镓氮(AlGaN)纳米阵列技术的深紫外(UVC)LED以追求更高光效性能。

技术荟|美方采用纳米阵列结构生长深紫外LED,有望突破光效瓶颈

背景

由于现阶段采用AlGaN材料LED的外量子效率(EQE)通常小于10%,因此研究人员采用了纳米阵列的独特结构来突破这一效率瓶颈。研究人员认为这种AlGaN的纳米阵列结构能够克服光线在高铝比例的AlGaN中水平方向传播的负面影响,由于横向磁(TM)偏振光效应,光线会沿着平面传播,这样会抑制光子的激发。而根据研究人员的估计,纳米阵列结构能够将光的提取效率增加至少70%。

研究内容

首先,为了能够精确的生长纳米阵列晶体,研究人员采用了选择性区域外延生长技术(selective-area epitaxy)。

技术荟|美方采用纳米阵列结构生长深紫外LED,有望突破光效瓶颈

图1 (a)左图:氮化镓(GaN)基蓝宝石衬底10nm钛模具以及纳米级别孔洞阵列;右图:GaN/AlGaN纳米阵列结构图 (b)GaN/AlGaN纳米阵列 扫描电镜图

选择性生长基于C平面的GaN基蓝宝石衬底上的分子束外延生长技术(MBE)。在经过模具表面渗氮处理后,GaN纳米阵列基底(图1a绿色部分)开始在995°C的环境下开始生长,而其上部的AlGaN则在935-1025°C的环境下继续生长。纳米阵列顶部采用了富铝处理。

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图2 AlGaN纳米阵列LED结构图

研究人员通过使用光致发光(PL)曲线进行测量,不同比例的AlGaN光谱范围在210-327nm。而对于280nm的深紫外LED,其纳米阵列由厚度为300nm n型GaN、80nm的n型Al0.64Ga0.36N、无掺杂Al0.48Ga0.52N以及60nm的p型Al0.64Ga0.36N。(图2)整体在1025°C的环境下生长,轴向的生长率为每小时150nm,同时填满晶格空隙的速率为每小时20nm。

光电特性

这种结构的光致发光的光谱为283nm,整体线宽为11nm。对比不同温度的PL曲线,在室温的环境下,其内量子效率(IQE)大约为45%。

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图3 (a)50 x 50μm2器件的电流电压特性曲线(b)不同注入电流下的电致发光(EL)光谱(c)电流密度与功率密度和波长位置的关系图

如图3所示,一个50 x 50μm2大小的器件的开启电压为4.4V,在5V的时候电流密度达到了100A/cm2 。这一特性就远远高于传统的量子阱AlGaN LED。

波长在279nm时伴随着电流的增加还有微小的蓝移现象,范围从279.6nm(50A/cm2)到278.9nm(252A/cm2)。

与此同时,研究人员预估整体输出功率为0.93W/cm2同时电流密度达到了252A/cm2。但是这种条件下的光效距离10%的目标仍有差距。

未来的研究方向

研究人员认为,理论上整体的输出功率可以通过优化纳米阵列的尺寸以及间隔来增强光提取效率。而且,器件的性能也可以通过使用隧道结等结构来有效的提升。

扩展阅读

有关横向磁(TM)偏振光效应

横向磁(TM)偏振光效应是目前深紫外LED发光光效低的其中一个原因,这种效应将会阻止光子从C平面激发出来。其结果就是光线会产生重吸收效应,这不仅会导致极低的光效也会增加器件的不稳定性和散热问题。

参考文献

Liu, X., Le, B. H., Woo, S. Y., Zhao, S., Pofelski, A., Botton, G. A., & Mi, Z. (2017). Selective area epitaxy of AlGaN nanowire arrays across nearly the entire compositional range for deep ultraviolet photonics. Optics Express, 25(24), 30494. httpss://doi.org/10.1364/OE.25.030494


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