技术荟|美方成功研发出高光效219nm波长深紫外LED
导读
近日，美国康奈尔大学和诺特丹大学的研究人员成功研发出新一代氮化镓（GaN）与氮化铝（AlN）异质结构深紫外LED，其波长为219nm，并且内量子效率（IQE）高达40%，几乎为之前记录的两倍。
2015年，日本理化学研究所（RIKEN）成功采用研发出氮化铝（AlN）和铝镓氮（AlGaN）量子阱结构的深紫外LED，其波长为275nm，光效达到了20%左右的水平，曾经是深紫外LED的世界纪录。
1. 结构优势
首先，研发人员采用了不同比例的AlN与GaN的混合结构来实现波长范围为365-205nm以及禁带能量为3.4eV(GaN)到6.02eV(AlN)的变化。由于采用了10层AlN的阻挡层与GaN量子点（QDs）的复合结构，这种结构能够有效的增加光子效率并减小波长。
2. 生长工艺
这次的技术亮点在于10层的量子点复合结构。研究人员先使用分子束外延（MBE）在30nm的AlN缓冲层上生长量子点结构。整个基板被先加热到450°C维持两个小时，然后在730°C的温度下生长4nm的AlN阻挡层，然后在阻挡层上面采用层岛式生长法（layer-plus-island growth）形成GaN材料的量子点结构。并重复该结构生长10层。（图1 a）
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层岛式生长法（layer-plus-island growth）又叫Stranski-Krastanov生长法。一般是由两层结构组成，生长两层结构之后再将第二层结构分解为岛式结构。研究人员在充满氮气环境的条件下暂停生长18秒来控制GaN岛式结构的形成。（图1b）
图1 （a）10层GaN量子点与AlN阻挡层结构图（b）MBE生长时间图（单一周期生长）（c）高分辨率x射线衍射ω-2θ方式扫描图
3. 器件特性
在5K温度的环境下，研究人员通过光致发光曲线（PL）观察到三种样品的波长分别为234nm（A）、222nm（B）、219nm（C）。同时，C样品的219nm波长也是具有最高的光子能量，达到了5.67eV的水平。
表1 三种样品参数
除此之外，研究人员通过仿真发现这种新的限制结构可以有效的抑制量子限制斯塔克效应（QCSE）。量子限制斯塔克效应引起的极化电场并不会降低电子与空穴的波函数重叠。从而发光效率仍然在一个较高的水平。
图2 （a）温度与PL曲线图 （b）AlGaN量子阱IQE对比图 （c）抑制QCSE效应后的不同厚度的量子阱禁带能量
对比AlGaN量子阱PL曲线（图2 a），研究人员通过使用GaN量子点结构有效抑制QCSE效应，从而也减小的发光波长。而且通过减小GaN量子点的厚度（图2 c）有效的增强了重叠度，也抑制了波长小的情况下IQE降低的问题。最终，样品C的IQE达到了40.2%，其量子点厚度只有0.8个单层厚度（ML）。
参考文献
Islam, S. M., Protasenko, V., Lee, K.,Rouvimov, S., Verma, J., Xing, H., & Jena, D. (2017). Deep-UV emission at 219nm from ultrathin MBE GaN/AlN quantum heterostructures. Applied Physics Letters, 111(9), 091104. doi:10.1063/1.5000844
首发于微信公众号：材料深一度
