近日，廣東工業(yè)大學、河北工業(yè)大學楚春雙副教授、張勇輝教授、張紫輝教授課題組聯(lián)合中國科學院半導(dǎo)體研究所劉乃鑫副研究員、閆建昌研究員課題組，在提升AlGaN基深紫外發(fā)光二極管（DUV LED）光提取效率、提高空穴注入效率、降低金屬/p型半導(dǎo)體界面勢壘方面取得重要突破。

研究團隊創(chuàng)新性地提出：（1）在切割道與傾斜側(cè)壁同步引入散射納米結(jié)構(gòu)，有效克服了多層界面間的全反射限制，顯著提升了器件的光輸出功率與電光轉(zhuǎn)換效率；（2）在p型空穴注入層中引入“光子循環(huán)誘導(dǎo)載流子再生”結(jié)構(gòu)，直接提高空穴注入效率的同時，有效地降低金屬/半導(dǎo)體界面勢壘。相關(guān)研究成果分別以“Enhancing light extraction for AlGaN-based deep-ultraviolet LEDs using scattering nanostructures on both scribe line and inclined sidewall”和“Diffusing the photon-assisted regenerated holes to increase the WPE for 259 nm AlGaN-based DUV LEDs with three-dimensional n-ZnO/p-AlGaN photon-sensitive micro-structure arrays”為題，發(fā)表于光學和應(yīng)用物理學領(lǐng)域知名期刊《Optics and Laser Technology》和《Applied Physics Letters》。

研究團隊通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在深紫外LED中，無論是TE偏振光還是TM偏振光，其在各結(jié)構(gòu)層中的限制比例存在顯著差異，其中大部分光被限制在n-AlGaN層中，而傳統(tǒng)的圖形化襯底難以有效提取這部分光。

圖1 通過FDTD模擬得到的DUV LED各層光限制比例

針對這一難題，研究團隊利用自組裝SiO?納米球模板技術(shù)，在芯片切割道區(qū)域和相鄰的傾斜側(cè)壁區(qū)域成功制備出n-AlGaN散射納米結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)在未影響其他光電特性的前提下，使深紫外LED在100 mA注入電流下的光輸出功率提升13.01%，電光轉(zhuǎn)換效率提升12.92%。

圖2 (a) DUV LED的頂視SEM圖像；(b) 納米結(jié)構(gòu)放大視圖，插圖為更高放大倍數(shù)下切割道上的納米結(jié)構(gòu)；(c) 切割道邊緣的側(cè)視SEM圖像；(d) 器件R與器件A的結(jié)構(gòu)示意圖，以及納米結(jié)構(gòu)的(d)直徑、(e)高度和(f)周期統(tǒng)計分布直方圖

圖3 (a) 器件R與器件A的電流-電壓特性曲線，插圖為100 mA注入電流下兩種DUV-LED的電致發(fā)光光譜；(b) 兩種DUV-LED的光輸出功率與電光轉(zhuǎn)換效率對比；(c) 20 mA注入電流下兩種DUV-LED的發(fā)光照片

更值得關(guān)注的是，研究揭示了光提取效率與切割道尺寸的協(xié)同關(guān)系。 FDTD模擬結(jié)果表明，在常規(guī)工藝下制備的深紫外LED中，增大切割道寬度確實能在一定程度上提升光提取效率，但這種提升效果有限，最終會趨于穩(wěn)定。而在集成了散射納米結(jié)構(gòu)的器件中，光提取效率隨著切割道寬度的增加呈現(xiàn)持續(xù)提升的趨勢。這一發(fā)現(xiàn)為高功率深紫外LED的優(yōu)化設(shè)計提供了重要依據(jù)。

圖4 (a) 器件R、A和B的TE偏振光提取效率隨切割道寬度比例的變化關(guān)系；(b)-(d) 分別為器件R、B和A在TE偏振光下的XY截面電場分布；(e) 提取光強度隨位置的變化關(guān)系

該技術(shù)具有工藝簡單、成本低、兼容現(xiàn)有產(chǎn)線等優(yōu)勢，尤其適用于切割道面積占比較高的功率型深紫外LED和Micro-LED，具備良好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。該研究為高性能深紫外LED的制備提供了一種新穎且可行的技術(shù)路徑。

針對p-型區(qū)域沒有逃逸出來的深紫外光子，研究團隊為實現(xiàn)光-電之間的能量連續(xù)轉(zhuǎn)換，提出了一種反向偏置的三維n-ZnO/p-AlGaN微結(jié)構(gòu)陣列，如圖5所示。該設(shè)計一方面抑制了p-AlGaN層表面的空穴耗盡效應(yīng)，從而降低p型接觸電阻；另一方面顯著增強了向有源區(qū)的空穴注入效率。實驗結(jié)果表明，在45 mA注入電流下，所提出器件的正向工作電壓降低25%，光輸出功率提升47%，最終使259 nm AlGaN基深紫外LED的電光轉(zhuǎn)換效率（WPE）提升46%，如圖6所示。

 圖5 器件R與器件A的制備工藝流程示意圖：（a）外延生長；（b）ICP刻蝕形成臺面；（c）器件R沉積SiO?層、（d）器件R沉積n型電極和（e） p型電極；（f）器件A進行ICP刻蝕形成微孔；（g）ZnO層填充；（h）器件A沉積SiO?層、（i）器件A沉積n型電極和（j）p型電極

 圖6 器件A與器件R在（a）半對數(shù)坐標和（b）線性坐標下的電流–電壓特性曲線；（c）器件A與器件R的歸一化WPE 

這主要得益于圖7（a）和（b）中實現(xiàn)的光子-自由載流子能量轉(zhuǎn)換物理過程：光敏n-ZnO/p-AlGaN結(jié)將光子轉(zhuǎn)化為電子-空穴對，其中再生空穴被重新注入量子阱中，而電子則經(jīng)n-ZnO區(qū)導(dǎo)出器件。圖7（c）所示的一維n-ZnO/p-AlGaN/n-ZnO能帶圖表明：n-ZnO/p-AlGaN界面處的內(nèi)建電場使橫向能帶彎曲程度大幅增加，不僅有利于空穴向p型層輸運，也抑制了p-AlGaN表面的空穴耗盡效應(yīng)。圖7（d）和（e）分別展示了n-ZnO微柱下方及兩微柱之間的縱向能帶分布。圖7（d）表明：n-ZnO/p-AlGaN結(jié)形成的電場具有“空穴加速”作用，在促進空穴向p型層輸運的同時，還可以直接將空穴注入到量子阱中。由此可見，三維n-ZnO/p-AlGaN結(jié)構(gòu)的電荷耦合效應(yīng)可以直接促進再生空穴注入到多量子阱區(qū)域，也可以促使空穴補償p型層表明的空穴耗盡效應(yīng)，從而提升深紫外LED的發(fā)光效率并降低器件的接觸電阻。

圖7（a） 器件A的三維結(jié)構(gòu)示意圖；（b）載流子再生及輸運過程；在45 mA注入電流下（c）n-ZnO/p-AlGaN/n-ZnO結(jié)構(gòu)的橫切一維能帶圖；（d）n-ZnO/p-AlGaN/量子阱異質(zhì)結(jié)區(qū)與（e）p-GaN/p-AlGaN/量子阱異質(zhì)結(jié)區(qū)的縱切一維能帶圖 

河北工業(yè)大學賈越棟碩士為論文《Enhancing light extraction for AlGaN-based deep-ultraviolet LEDs using scattering nanostructures on both scribe line and inclined sidewall》第一作者，河北工業(yè)大學張勇輝教授、廣東工業(yè)大學張紫輝教授和中國科學院半導(dǎo)體研究所劉乃鑫副研究員為共同通訊作者。合作單位還包括山西大學、中國科學院半導(dǎo)體研究所、山西中科潞安紫外光電科技有限公司。

廣東工業(yè)大學楚春雙副教授為論文《Diffusing the photon-assisted regenerated holes to increase the WPE for 259 nm AlGaN-based DUV LEDs with three-dimensional n-ZnO/p-AlGaN photon-sensitive micro-structure arrays》第一作者，廣東工業(yè)大學張紫輝教授為通訊作者。合作單位還包括河北工業(yè)大學張勇輝教授，中國科學院半導(dǎo)體研究所劉乃鑫副研究員、閆建昌研究員團隊等。

本研究得到了國家重點研發(fā)計劃（2022YFB36051002023YFB3609703）、國家自然科學基金（62275073）、山西省科技合作交流項目(202404041101049)及河北省自然科學基金（F2025202016）的支持。