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      深紫科技研發團隊“紫外發光芯進展”被國際半導體權威刊物相繼報道

      媒體聚焦 · 2021-10-15 14:16:24

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      單片集成光電倍增轉換器的半導體深紫外發光二極管芯片

      陳長清、戴江南研發團隊首次將p-i-n的探測結構單片集成在深紫外LED芯片中,實現了載流子循環注入、光倍增放大功能,獲得了21.6%這一國際最高電光轉換效率值。

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      最新深紫外激光器

      陳長清、戴江南研發團隊首次采用超薄AlN/GaN多量子阱作為深紫外激光器的有源區實現了室溫光激勵下峰值波長為249 nm的橫電模(TE)受激發射現象,閾值功率密度為190kW/cm2。

      長期以來,半導體深紫外LED技術雖然被廣泛看好,但因其光電轉化效率始終無法突破10%,徘徊在商業化應用初級階段難以前行, 其節能、環保、便攜、壽命長,可廣泛應用于醫用光療、殺菌消毒、空氣凈化、保密通訊、氣體檢測的市場潛力無法釋放。

      對此,日本理化學研究所H.Hirayama研究團隊、德國柏林工業大學C.Kuhn研究團隊曾陸續提出過以電子阻擋層抑制電子的泄漏、使用隧穿結來代替P型鋁鎵氮層提高空穴注入效率等多種方式,均未取得突破性進展。

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      陳長清、戴江南團隊本次研發成果解決了這一國際難題

      單片集成技術,是將兩個或兩個以上器件或功能結構集成在單顆芯片中,并利用它們之間的相互作用提高設備的性能。本質上,這種系統級的創新能構建一個新的器件環境,實現“片上系統”。陳長清、戴江南科研團隊提出了引入單片集成技術的新思路,將p-i-n氮化鎵探測結構原位生長在深紫外LED外延結構上(MPC-DUV LED:Monolithic integration of deep ultraviolet LED),實現具有載流子循環注入、光倍增放大功能的芯片器件。

      陳長清、戴江南團隊通過長時間的調研和探索,創新性地將p-i-n的探測結構應用在深紫外LED芯片中,可以將量子阱有源區所發射的280 nm以下的深紫外光吸收,并轉換為新的電子空穴對。在外加高電壓的作用下,產生的電子空穴對發生分離,空穴載流子在電場作用下向量子阱方向漂移,并重新注入到量子阱中。

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      研究發現,在小電流下,傳統DUV LED芯片是電流驅動的工作模式,其出光功率呈線性增長。與之不同的是,MPC-DUV LED芯片是電壓驅動的工作模式,其出光功率呈指數型增長。

      A點所對應的光譜積分得到其真實功率為33.0 μW。對于傳統DUV LED,其工作電壓和電流分別是4.88 V和1.87 mA,而相對的MPC-DUV LED其工作電壓和電流分別為19.5 V和7.85 μA,兩種DUV LED的電光轉換效率(出光功率/注入的電功率)分別為0.36%和21.6%,相差達60倍。

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      研究進一步揭示了小電流下MPC-DUV LED芯片獲得超高轉換效率的機理。通過APSYS仿真計算,i-GaN層中的電場可達5×106 V/cm,超過氮化鎵材料中蓋革模式的閾值電場(2.4~2.8×106 V/cm),因而有極大的概率在耗盡層中發生碰撞電離,獲得幾十乃至上百倍的高增益,從而實現空穴載流子數量級的提高。

      整個光電循環的過程中量子阱中電子和空穴發生復合發光,一部分深紫外光子從器件底部逃逸出去,另一部分光子進入到MPC結構中被吸收,高能量的深紫外光子激發氮化鎵材料產生相應的電子空穴對,并在外加電壓的情況下發生分離,空穴在耗盡區強電場的作用下發生碰撞電離,多次倍增后重新注入到量子阱中,與量子阱中原有的電子發生新的輻射復合,如此循環,最終大幅提高了載流子注入效率。




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