封面展示了傳統(tǒng)的深紫外發(fā)光二極管（DUV-LED）倒裝芯片的出光示意圖。器件工作時(shí)，空穴和電子分別從p型區(qū)和n型區(qū)進(jìn)入到量子阱中復(fù)合發(fā)光，但只有很小一部分光可以從器件底部出射，最終實(shí)現(xiàn)有效的光提取。造成器件光效嚴(yán)重?fù)p耗的原因主要有三類，即量子阱偏振度低、界面全反射、以及器件頂部光吸收。深入剖析以上關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，有助于精準(zhǔn)突破光提取壁壘，實(shí)現(xiàn)高性能器件。

一、背景介紹

波長(zhǎng)短于280 nm的深紫外（DUV）光源應(yīng)用廣泛，覆蓋環(huán)境、食品、公共衛(wèi)生、通訊等多個(gè)領(lǐng)域，成為人民生活和**建設(shè)的一部分。隨著《關(guān)于汞的水俁公約》的生效，以水銀燈為代表的含汞氣態(tài)紫外光源將，巨大的應(yīng)用市場(chǎng)需求使得新一代深紫外光源的研發(fā)迫在眉睫。相比于傳統(tǒng)的氣態(tài)汞燈，鋁鎵氮（AlGaN）基深紫外發(fā)光二極管（DUV-LED）作為一種新型固態(tài)紫外光源，具有環(huán)保安全、小巧便攜、效率高、壽命長(zhǎng)等突出優(yōu)勢(shì)，因而受到廣泛關(guān)注，有望逐步替代汞燈進(jìn)入主流市場(chǎng)。在迫切的需求帶動(dòng)下，圍繞高性能AlGaN基DUV-LED的材料與器件研究也快速發(fā)展，成為當(dāng)前III族氮化物寬禁帶半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域的主要發(fā)展方向之一。

目前，DUV-LED的應(yīng)用主要集中在殺菌消毒場(chǎng)景。用于表面快消的小尺寸紫外光源產(chǎn)品已逐步推向市場(chǎng)，且隨著芯片性能的不斷提升，應(yīng)用于醫(yī)院、高校等大型公共場(chǎng)所的大功率表殺LED模組也被推出，并受到廣泛關(guān)注。需要指出的是，現(xiàn)階段DUV-LED商用芯片的電光轉(zhuǎn)換效率（WPE）普遍低于6%，遠(yuǎn)不能滿足全面替代汞燈的需求，還限制了其向大規(guī)模水處理等重要領(lǐng)域的應(yīng)用擴(kuò)展和普及，而造成這一現(xiàn)狀的關(guān)鍵因素是器件極低的光提取效率（LEE）。深入剖析光提取難題有助于精準(zhǔn)突破技術(shù)壁壘，實(shí)現(xiàn)高性能器件。下面將從光提取效率提升所面臨的三大關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題出發(fā)，梳理相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和研究進(jìn)展，以掌握本領(lǐng)域國(guó)際發(fā)展動(dòng)態(tài)。

二、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

（1）AlGaN量子阱偏振度調(diào)控及TM光提取

高Al組分AlGaN量子阱的橫磁模式（TM模式）發(fā)光占比較高，其面內(nèi)傳播的特點(diǎn)導(dǎo)致在倒裝芯片中無(wú)法被有效提取。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)際目前一般采用兩種技術(shù)路線，即通過(guò)能帶調(diào)制提高量子阱的偏振度，或通過(guò)調(diào)控出光路徑提取TM偏振光。

偏振度調(diào)控的關(guān)鍵在于調(diào)制量子阱價(jià)帶子帶的相對(duì)能級(jí)位置。理論和實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)量子阱施加壓應(yīng)力、或通過(guò)減小量子阱寬度來(lái)增強(qiáng)量子限域，均可實(shí)現(xiàn)AlGaN價(jià)帶子帶重排，從而增強(qiáng)垂直出射的TE模式的發(fā)光占比，如圖1（a）所示。此外，以量子限域?yàn)槟康?，研究人員提出可采用階梯阱實(shí)現(xiàn)子帶能級(jí)位置的調(diào)制，并從實(shí)驗(yàn)上證明了該結(jié)構(gòu)具有提升量子阱發(fā)光偏振度的效果。該方法可打破常規(guī)金屬有機(jī)源化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法難以實(shí)現(xiàn)超薄量子阱厚度精細(xì)控制的局限，降低高性能器件大規(guī)模制備的難度。

TM光提取方面，側(cè)壁反射鏡被證明是有效的技術(shù)手段。如圖1（b）所示，通過(guò)在量子阱側(cè)壁覆蓋對(duì)紫外光具有較高反射率的金屬Al，可將傳播至此處的光線反射到器件背面的出光錐內(nèi)，提高TM偏振光的提取效率。值得注意的是，側(cè)壁反射鏡應(yīng)用在微米尺度的LED中效果更為顯著，相較于傳統(tǒng)大尺寸芯片，微米LED有源區(qū)臺(tái)面周長(zhǎng)與面積的比例更大，可降低光在長(zhǎng)距離橫向傳播過(guò)程中的散射及吸收損耗，從而增加側(cè)壁出光的占比。

圖1（a）應(yīng)力及量子限域?qū)α孔于迥軒Ш推穸鹊恼{(diào)控示意圖；（b）基于側(cè)壁反射鏡的器件構(gòu)型示意圖

（2）光出射界面全反射角的破解途徑

光的全反射發(fā)生在具有不同折射率的兩層材料界面處。就DUV-LED器件而言，該現(xiàn)象主要出現(xiàn)在AlGaN/AlN、AlN/藍(lán)寶石襯底、藍(lán)寶石襯底/空氣界面。因此，針對(duì)光的全反射問(wèn)題，研究焦點(diǎn)在于如何破除以上三類界面的全反射角，以達(dá)到提升器件光提取效率的目的。

AlGaN/AlN和AlN/藍(lán)寶石襯底界面均屬于外延層內(nèi)部界面，主要通過(guò)在外延過(guò)程中引入空氣孔隙或傾斜側(cè)壁來(lái)改變光的傳播路徑，如利用電化學(xué)腐蝕方法在n-AlGaN和底層材料之間制備如圖2（a）所示的納米多孔AlGaN模板（NPT）；或采用納米圖形化藍(lán)寶石襯底（NPSS），利用側(cè)向外延側(cè)壁改變光線出射方向，從而打破傳統(tǒng)平直界面全反射角對(duì)出光的限制。對(duì)于藍(lán)寶石襯底/空氣界面的全反射問(wèn)題，通常在后續(xù)器件制備過(guò)程中進(jìn)行襯底糙化處理，或采用半球形透鏡封裝的方法，引導(dǎo)光線進(jìn)入出光錐。

以上界面處理的方法可以在一定程度上削弱全反射對(duì)光提取的影響，但要解決這一問(wèn)題，的手段是采用AlN單晶同質(zhì)襯底，或去除襯底制備薄膜倒裝芯片（TFFC），并以糙化的、或具有特定納米結(jié)構(gòu)的外延層表面為出光面，從而增大光的出射角度，如圖2（b）所示。因此尋求無(wú)損襯底剝離技術(shù)、或開(kāi)發(fā)基于AlN單晶襯底的器件研制工藝應(yīng)是未來(lái)的努力方向。

圖2（a）納米多孔AlGaN模板（NPT）上n-AlGaN的截面SEM圖；（b）TFFC器件構(gòu)型示意圖

（3）紫外光吸收的抑制途徑

DUV-LED通常采用p-GaN作為頂部接觸層，以滿足空穴供給和歐姆接觸的需求。但由于GaN的禁帶寬度小于深紫外光子能量，傳播至p型區(qū)的光幾乎被GaN和其上的金屬電極吸收。因此，解決光吸收問(wèn)題應(yīng)從高透明p型層及高反射p型電極制備兩方面入手。

高效摻雜的p-AlGaN制備是現(xiàn)階段解決外延層吸收問(wèn)題的關(guān)鍵突破口，其的難點(diǎn)在于Mg摻雜劑在AlGaN中的激活能較高。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員提出采用超晶格摻雜的方法，如圖3（a）所示，通過(guò)Al組分差異引起價(jià)帶及Mg雜質(zhì)能級(jí)的周期性振蕩，使能量低于或接近費(fèi)米能級(jí)的Mg受主易于被離化，從而降低激活能，提高空穴濃度。此外，極化誘導(dǎo)摻雜也被認(rèn)為是提高M(jìn)g在p-AlGaN中離化率的另一種重要手段，如圖3（b）所示，通過(guò)采用Al組分漸增的N極性AlGaN放大極化效應(yīng)，從而在其中引入負(fù)極化體電荷，誘導(dǎo)空穴從Mg受主能級(jí)向價(jià)帶離化，以此實(shí)現(xiàn)高空穴濃度的p-AlGaN。

高反射電極的制備需同時(shí)兼顧紫外光反射率和歐姆接觸特性。目前研究發(fā)現(xiàn)可滿足以上兩方面條件的一個(gè)選擇是單層金屬電極Rh。但鑒于貴金屬Rh的成本較高，研究人員提出了復(fù)合電極的技術(shù)路線，即薄金屬接觸層保證歐姆接觸和透光率、厚反射層金屬提高電極反射率，并基于該思路，開(kāi)發(fā)了Ni/Mg、Ni/Au/Al、Rh/Al等多種高反射p型電極來(lái)提升器件光提取效率。后續(xù)關(guān)于復(fù)合電極的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，需進(jìn)一步驗(yàn)證薄接觸層在器件工作過(guò)程中的穩(wěn)定性。

圖3（a）超晶格摻雜的原理；（b）極化誘導(dǎo)摻雜的作用機(jī)理

三、總結(jié)與展望

AlGaN基DUV-LED是III族氮化物寬禁帶半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域的主要研究方向之一，在紫外光源市場(chǎng)需求巨大。但目前DUV-LED性能的進(jìn)一步突破面臨光提取效率低下的瓶頸，其原因主要有：量子阱光學(xué)偏振度低，不利于倒裝芯片底部光提取；多層材料之間折射率差異大，導(dǎo)致大量紫外光因界面全反射被限制在芯片內(nèi)部；器件頂部用于提供空穴的窄禁帶p-GaN層及其上的金屬電極對(duì)紫外光吸收強(qiáng)烈，造成嚴(yán)重的光損耗。本文從以上因素入手，總結(jié)了近年來(lái)該領(lǐng)域針對(duì)這三類問(wèn)題所做的技術(shù)創(chuàng)新。其中，光學(xué)偏振方面，有源區(qū)微型化在提升TM偏振光提取效率方面具有很大潛力，有望成為未來(lái)器件發(fā)展的主流構(gòu)型；光學(xué)反射方面，消除襯底與空氣界面的全反射是的解決方案，尋求無(wú)損剝離襯底技術(shù)及基于AlN單晶襯底的器件研制應(yīng)是未來(lái)的努力方向。光學(xué)吸收方面，高透明高Al組分p-AlGaN及高反射p型電極研究應(yīng)同步進(jìn)行；同時(shí)，新的光學(xué)現(xiàn)象，如微納結(jié)構(gòu)下的光/電子振蕩、耦合等也值得進(jìn)一步探究。總的來(lái)看，DUV-LED的器件性能在過(guò)去二十年飛速發(fā)展，但要滿足規(guī)模商用芯片的需求還需光提取效率的進(jìn)一步突破，這將依賴于新路線和新技術(shù)的進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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