近期，LED業(yè)好消息不斷，科學(xué)家們依然很“贊”!

　　紫外LED性能取得新突破

　　紫外線雖然在太陽(yáng)光中能量占比僅5%，但卻廣泛應(yīng)用于人類生活。目前紫外光應(yīng)用包括印刷固化、錢幣防偽、皮膚病治療、植物生長(zhǎng)光照、破壞微生物如細(xì)菌、病毒等分子結(jié)構(gòu)，因此廣泛應(yīng)用于空氣殺菌、水體凈化和固體表面除菌消毒等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的紫外光源一般是采用汞蒸氣放電的激發(fā)態(tài)來(lái)產(chǎn)生紫外線，有著功耗高、發(fā)熱量大、壽命短、反應(yīng)慢、有安全隱患等諸多缺陷。新型的深紫外光源則采用發(fā)光二極管(light emitting diode: LED)發(fā)光原理，相對(duì)于傳統(tǒng)的汞燈擁有諸多的優(yōu)點(diǎn)。其中最為重要優(yōu)勢(shì)的在于其不含有毒汞元素。隨著《水俁公約》的實(shí)施，標(biāo)志著2020年間將全面禁止含有汞元素紫外燈的使用，因此如何才能開(kāi)發(fā)出一種全新的環(huán)保、高效紫外光源，成為了擺在人們面前的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

　　而基于寬禁帶半導(dǎo)體材料(GaN，AlGaN)的深紫外發(fā)光二極管(deep ultraviolet LED: DUV LED)成為了這一新應(yīng)用的不二選擇。這一全固態(tài)光源體系體積小、效率高，壽命長(zhǎng)，僅僅是拇指蓋大小的芯片，就可以發(fā)出比汞燈還要強(qiáng)的紫外光。這其中的奧秘主要取決于III族氮化物這一種直接帶隙半導(dǎo)體材料：導(dǎo)帶上的電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，從而產(chǎn)生光子。而光子的能量則取決于材料的禁帶寬度，科學(xué)家們則可以通過(guò)調(diào)節(jié)AlGaN這種三元化合物中的元素組分，精密地實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的發(fā)光。然而，要想實(shí)現(xiàn)紫外LED的高效發(fā)光并不總是那么容易。研究者們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)，并不總是一定產(chǎn)生光子，這一效率被稱之為內(nèi)量子效率(internal quantum efficiency: IQE)。

　　中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院孫海定和龍世兵教授課題組和中國(guó)科學(xué)院寧波材料所郭煒和葉繼春研究員課題組發(fā)現(xiàn)，為了提升紫外LED的IQE數(shù)值，可以通過(guò)AlGaN材料生長(zhǎng)的襯底——藍(lán)寶石，也就是Al2O3的斜切角調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提高襯底的斜切角時(shí)，紫外LED內(nèi)部的位錯(cuò)得到明顯抑制，器件發(fā)光強(qiáng)度明顯提高。當(dāng)斜切角襯底達(dá)到4度時(shí)，器件熒光光譜的強(qiáng)度提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，而內(nèi)量子效率也達(dá)到了破紀(jì)錄的90%以上。

　　與傳統(tǒng)紫外LED結(jié)構(gòu)不同的是，這一種新型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的發(fā)光層——即多層量子阱(MQW)內(nèi)勢(shì)阱和勢(shì)壘的厚度并不是均勻的。借助于高分辨透射電子顯微鏡，研究人員得以在微觀尺度分析僅僅只有幾納米的量子阱結(jié)構(gòu)。研究表明，在襯底的臺(tái)階處，鎵(Ga)原子會(huì)出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，這導(dǎo)致了局部的能帶變窄，并且隨著薄膜的生長(zhǎng)，富Ga和富Al的區(qū)域會(huì)一直延伸至DUV LED的表面，并且在三維空間內(nèi)出現(xiàn)扭曲、彎折，形成三維的多量子阱結(jié)構(gòu)。研究者們稱這一特殊的現(xiàn)象為：Al，Ga元素的相分離和載流子局域化現(xiàn)象。值得指出的是，在銦鎵氮(InGaN)基的藍(lán)光LED體系中，In由于和Ga并不100%互溶，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)富In和富Ga的區(qū)域，從而產(chǎn)生局域態(tài)，促進(jìn)的載流子的輻射復(fù)合。但在AlGaN材料體系中，Al和Ga的相分離卻很少見(jiàn)到。而此工作的重要意義之一就在于人為調(diào)節(jié)材料的生長(zhǎng)模式，促進(jìn)相分離，并因此大大改善了器件的發(fā)光特性。

　　通過(guò)在4度斜切角襯底上優(yōu)化外延生長(zhǎng)調(diào)節(jié)，研究人員摸索到了一種最佳的DUV LED結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的載流子壽命超過(guò)了1.60 ns，而傳統(tǒng)器件中這一數(shù)值一般都低于1ns。進(jìn)一步測(cè)試芯片的發(fā)光功率，科研人員發(fā)現(xiàn)其紫外發(fā)光功率比傳統(tǒng)基于0.2度斜切角襯底的器件強(qiáng)2倍之多。這更加確信無(wú)疑地證明了，AlGaN材料可以實(shí)現(xiàn)有效的相分離和載流子局域化現(xiàn)象。除此之外，實(shí)驗(yàn)人員還通過(guò)理論計(jì)算模擬了AlGaN 多量子阱內(nèi)部的相分離現(xiàn)象以及勢(shì)阱、勢(shì)壘厚度不均一性對(duì)發(fā)光強(qiáng)度和波長(zhǎng)的影響，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了十分吻合。

　　該研究成果由華中科技大學(xué)戴江南和陳長(zhǎng)清教授，河北工業(yè)大學(xué)張紫輝教授，沙特阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Boon Ooi和Iman Roqan教授聯(lián)合攻關(guān)完成。研究者相信，此項(xiàng)研究將會(huì)為高效率的全固態(tài)紫外光源的研發(fā)提供新的思路。這種思路無(wú)需昂貴的圖形化襯底，也不需要復(fù)雜的外延生長(zhǎng)工藝。而僅僅依靠襯底的斜切角的調(diào)控和外延生長(zhǎng)參數(shù)的匹配和優(yōu)化，就有望將紫外LED的發(fā)光特性提高到與藍(lán)光LED相媲美的高度，為高功率深紫外LED的大規(guī)模應(yīng)用奠定實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。相關(guān)結(jié)果以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”為題，在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201905445)。(來(lái)源：MaterialsViews)

　　微型/納米混合LED

　　III族氮化物是具有直接帶隙的獨(dú)特半導(dǎo)體材料系統(tǒng)，覆蓋從深紫外(DUV)到近紅外的寬光譜范圍。在過(guò)去的幾十年中，基于III族氮化物光電子器件取得了巨大的進(jìn)步，中國(guó)科學(xué)工作者也做出了具有代表性的研究工作。近日，南京大學(xué)的劉斌教授在發(fā)表于Advanced Materials 的一篇研究進(jìn)展中報(bào)道了南京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究團(tuán)隊(duì)在混合結(jié)構(gòu)光發(fā)射器和紫外日盲光電二極管探測(cè)器兩個(gè)方面的主要成果。

　　自日本三位科學(xué)家發(fā)明了高效節(jié)能的固態(tài)照明藍(lán)色發(fā)光二極管(LED)并獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來(lái)，已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)百億美元LED固態(tài)照明市場(chǎng)，目前正向超越照明與智能應(yīng)用方向發(fā)展。近年來(lái)，Micro-LED(微米LED)等新興技術(shù)在下一代高性能顯示器和智能可穿戴消費(fèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)用中顯示出巨大潛力。隨著LED技術(shù)向微小尺度進(jìn)一步發(fā)展，賦能高分辨率(PPI)顯示、高速可見(jiàn)光通訊和智能可穿戴等領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展和市場(chǎng)規(guī)模。然而面對(duì)巨大的市場(chǎng)需求，III型氮化物L(fēng)ED仍然有很多基礎(chǔ)問(wèn)題有待解決。眾所周知，白光LED普遍采用藍(lán)光LED激發(fā)黃/紅色熒光粉混合產(chǎn)生白光。然而，傳統(tǒng)熒光粉材料光轉(zhuǎn)換效率低，響應(yīng)速率慢，并且尺寸難以進(jìn)一步縮小，因此，不再適用于需要超小尺寸Micro-LED器件的高分辨率顯示領(lǐng)域。另一方面，顯示光源微小化后，邊緣效應(yīng)顯著增加，由芯片和工藝帶來(lái)的損傷和缺陷會(huì)降低電-光轉(zhuǎn)換效率。特別是基于GaAs體系的紅光LED，特別容易受到缺陷的影響導(dǎo)致量子效率的大幅下降。

　　南京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究團(tuán)隊(duì)在III族氮化物光電子器件方面開(kāi)展了相關(guān)工作，具有代表性的是高性能混合型微孔/納米孔可見(jiàn)光LED。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了紫外納米壓印(納米壓印光刻N(yùn)IL)圖案化技術(shù)，能夠以較低成本得到高度有序的納米尺度圖形陣列。將CdSe/ZnS材料構(gòu)成的核/殼量子點(diǎn)(QD)發(fā)光材料包埋于納米微孔中，制成了高性能混合型微孔/納米孔可見(jiàn)光LED。在InGaN/GaN材料構(gòu)成的多量子阱(MQW)和CdSe/ZnS核/殼量子點(diǎn)(QD)發(fā)光材料之間形成一種非輻射共振能量轉(zhuǎn)移機(jī)制，通過(guò)高效率的色彩轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生綠色/黃色/紅色光的高顏色轉(zhuǎn)換效率和高顯色指數(shù)，并成功將其運(yùn)用于Micro-LED器件制備。該器件的穩(wěn)定性、響應(yīng)速率、顯色性能等方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

　　高性能顯示中對(duì)光源顏色的純度、強(qiáng)度和響應(yīng)速度都有很高的要求。南京大學(xué)寬禁帶團(tuán)隊(duì)利用金屬表面等離子體激元效應(yīng)，通過(guò)受激輻射的輻射放大物理機(jī)制，采用混合金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造了低閾值的等離子體納米線(NW)激光器，獲得了從綠光至深紫外UV-B的激光發(fā)射，為下一代超小光源打下基礎(chǔ)，助力中國(guó)固態(tài)照明與高性能顯示行業(yè)的發(fā)展。

　　在過(guò)去的二十年，III族氮化物半導(dǎo)體由于其優(yōu)異和不可替代的特性，在可見(jiàn)-紫外光電子器件領(lǐng)域已經(jīng)取得了巨大成就。而由于AlN和GaN組成的氮化鋁鎵(AlGaN)三元材料具有優(yōu)異的光電性能，紫外LED和光電探測(cè)器件對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)，健康和醫(yī)療應(yīng)用，醫(yī)學(xué)診斷等新應(yīng)用越來(lái)越重要。AlGaN基紫外LED和高靈敏度的紫外光電檢測(cè)器引起了重點(diǎn)關(guān)注。目前，這一領(lǐng)域仍然存在一些困難和挑戰(zhàn)，例如AlGaN與異質(zhì)襯底之間的晶格失配較大，用于高Al成分的AlGaN合金中Al的摻入效率低，以及高導(dǎo)電性p型AlGaN的困難，限制了III族氮化物的紫外光電子器件的性能改進(jìn)提升。針對(duì)以上困難和挑戰(zhàn)，南京大學(xué)寬禁帶研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了具有獨(dú)立吸收和倍增(SAM)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的高性能AlGaN基日盲紫外雪崩光電二極管(APD)探測(cè)器。通過(guò)引入極化電場(chǎng)，優(yōu)化了器件內(nèi)載流子輸運(yùn)，使得APD器件的泄漏電流顯著降低，并且增益達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄高的1.6×105。

　　綜上所述，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)展示了微型/納米混合LED，實(shí)現(xiàn)了高性能的紅色/綠色/藍(lán)色和白色微納發(fā)光器件。設(shè)計(jì)了金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的等離激元納米激光器，獲得了從可見(jiàn)光至深紫外(Deep-UV)光譜范圍的低激發(fā)閾值的激光。此外，通過(guò)獨(dú)特的吸收和倍增結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備了性能顯著改善的AlGaN基紫外日盲光電二極管(APD)探測(cè)器，增益達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄水平。上述納/微米混合LED、納米激光器和極化增強(qiáng)型APD的最新研究進(jìn)展有望引領(lǐng)III族氮化物基光電子器件在未來(lái)的創(chuàng)新應(yīng)用。

　　據(jù)Rebecca Pool報(bào)道，Kubos半導(dǎo)體公司利用其立方GaN外延技術(shù)，打算很快推出大規(guī)模制造綠色led的工藝。

　　立方GaN外延技術(shù)商業(yè)化

　　英國(guó)Kubos半導(dǎo)體公司和英國(guó)復(fù)合半導(dǎo)體中心聯(lián)手解決了LED行業(yè)臭名昭著的“綠色鴻溝”問(wèn)題。

　　正如今年10月披露的那樣，合作伙伴正共同努力將用于制造高效綠色和琥珀色LED的立方GaN外延技術(shù)商業(yè)化。

　　這一舉措正值綠色LED的效率數(shù)字大大落后于藍(lán)色LED，盡管全球各行業(yè)都在努力縮小所謂的綠色差距。

　　“縮小綠色差距是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，一直是LED制造商面臨的一個(gè)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，至今仍未解決，”Kubos首席執(zhí)行官卡羅琳•奧布萊恩(Caroline O'Brien)表示。“但我們很快就會(huì)推出一種在商業(yè)上可行的解決方案，我們預(yù)計(jì)這一方案將獲得非常好的反響。”

　　她補(bǔ)充道：“綠色LED是我們主要的商業(yè)化催化劑，我們?cè)谶@方面取得了良好的進(jìn)展，因此計(jì)劃明年開(kāi)始這一商業(yè)化進(jìn)程。”。

　　到目前為止，六角GaN晶體已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于制造藍(lán)色led，但是在綠色器件中實(shí)現(xiàn)高效的工作是一個(gè)問(wèn)題。在這些長(zhǎng)波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的有源區(qū)中，大的偏振場(chǎng)降低了輻射復(fù)合率，限制了LED的效率。

　　但庫(kù)博斯有答案。該公司的工藝是在硅襯底上3C(立方)SiC上生長(zhǎng)立方GaN。與六邊形GaN不同，立方GaN沒(méi)有電場(chǎng)，消除了偏振問(wèn)題，為高效led的設(shè)計(jì)打開(kāi)了大門。

　　3C-SiC在硅上的外延工藝是由華威大學(xué)的spin-out，Anvil半導(dǎo)體公司首創(chuàng)的。Anvil謹(jǐn)慎地保護(hù)了它的IP，但大約在8年前，它開(kāi)始在用于SiC功率器件的硅片上珩磨一個(gè)生長(zhǎng)3C-SiC的過(guò)程，克服了不同材料的晶格參數(shù)和熱膨脹系數(shù)的不匹配。

　　該公司與劍橋大學(xué)(Cambridge University)在五年前合作，在Si模板上的立方SiC上生長(zhǎng)立方GaN。成功之后，合作伙伴生產(chǎn)了世界上第一個(gè)150毫米晶圓，上面生長(zhǎng)著100%立方GaN，Kubos獲得了獨(dú)家許可證，可以將這種IP商業(yè)化，并提供高效的綠色和琥珀色led。

　　最關(guān)鍵的是，最近的Kubos-CSC合作關(guān)系將加速Kubos的技術(shù)開(kāi)發(fā)。CSC是一家由半導(dǎo)體外延晶圓產(chǎn)品制造商IQE和卡迪夫大學(xué)(Cardiff University)組成的合資企業(yè)，提供了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外延工具的商業(yè)準(zhǔn)入，為商業(yè)化提供了明確的途徑。

　　CSC的Rob Harper說(shuō)：“在Si上的立方碳化硅上生長(zhǎng)立方氮化鎵提供了一個(gè)可擴(kuò)展的平臺(tái)，提供高質(zhì)量的立方GaN層。”

　　“重要的是，我們有多個(gè)MOCVD工具平臺(tái)，在擴(kuò)展到更大的200毫米晶圓之前，可以在更小的直徑上進(jìn)行經(jīng)濟(jì)高效的開(kāi)發(fā)。”

　　他補(bǔ)充道：“AixtronG5+反應(yīng)器的可用性意味著，[庫(kù)布斯]工藝可以在高達(dá)200毫米的基板上商業(yè)化。”。“在全球提供的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MOCVD工具上演示Kubos技術(shù)有助于擴(kuò)大規(guī)模，從而縮短上市時(shí)間。”

　　根據(jù)O'Brien的說(shuō)法，Kubos已經(jīng)證明在150毫米的3C-SiC硅片上可以生長(zhǎng)出立方GaN，并且聲稱當(dāng)硅硅片上的200毫米SiC可用時(shí)，立方GaN的生長(zhǎng)也可以被縮放。

　　她說(shuō)：“將其擴(kuò)展到200毫米晶圓甚至更大的晶圓尺寸是沒(méi)有限制的。我們一直在努力確保可擴(kuò)展性，以便該技術(shù)與大批量生產(chǎn)兼容，并在商業(yè)上可行。”

　　就成本而言，奧布萊恩和哈珀都看不到任何絆腳石。奧布萊恩認(rèn)為，到目前為止，沒(méi)有任何跡象表明，一個(gè)LED制造商不能采用成本效益高、可制造性強(qiáng)的方法。

　　正如哈珀所說(shuō)：“事實(shí)上，這可以擴(kuò)展到200毫米晶圓提供了進(jìn)一步的成本削減超過(guò)150毫米晶圓。”

　　他補(bǔ)充道：“我們還可以在多晶片MOCVD平臺(tái)(如Aixtron G5+)上提供這種功能，并同時(shí)處理5×200mm晶片或8×150mm晶片的批次，這可以提供比單晶片工具低得多的晶片成本。”。“一旦技術(shù)到位，我們可以預(yù)期，在規(guī)模經(jīng)濟(jì)和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)效率的推動(dòng)下，將進(jìn)一步降低成本。”

　　主要應(yīng)用包括用于顯示市場(chǎng)以及汽車和傳統(tǒng)LED照明市場(chǎng)的微型LED?？紤]到這一點(diǎn)，Kubos和合作伙伴正在努力提高將通過(guò)其工藝制造的綠色led的效率。

　　正如奧布萊恩指出的，早在2017年，美國(guó)能源部就制定了雄心勃勃的內(nèi)部量子效率(IQE)目標(biāo)，為54%，因此這是該公司的最終目標(biāo)。她說(shuō)：“目前，許多綠色LED設(shè)備的效率仍明顯低于這一水平，因此提高智商是我們目前發(fā)展的重點(diǎn)，雖然能源部的目標(biāo)是一條路要走，但我們已經(jīng)看到了這一點(diǎn)。”。

　　同時(shí)，工藝優(yōu)化和成品率工程的工作也在進(jìn)行中。合作伙伴的主要目標(biāo)是將這一技術(shù)融入一級(jí)生產(chǎn)線，因此，他們計(jì)劃在未來(lái)2到3年內(nèi)將這項(xiàng)技術(shù)授權(quán)給大型LED公司。正如奧布萊恩所說(shuō)：“我們明年將開(kāi)始與客戶接觸，而LED制造是一個(gè)非常成熟的過(guò)程，因此如果在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)沒(méi)有上市，我會(huì)感到失望。”