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              深紫科技研發(fā)團隊“紫外發(fā)光芯進(jìn)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(fā)光二極管芯片

              陳長(cháng)清、戴江南研發(fā)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(shí)現了載流子循環(huán)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(cháng)清、戴江南研發(fā)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(shí)現了室溫光激勵下峰值波長(cháng)為249 nm的橫電模(TE)受激發(fā)射現象,閾值功率密度為190kW/cm2。

              長(cháng)期以來(lái),半導體深紫外LED技術(shù)雖然被廣泛看好,但因其光電轉化效率始終無(wú)法突破10%,徘徊在商業(yè)化應用初級階段難以前行, 其節能、環(huán)保、便攜、壽命長(cháng),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(chǎng)潛力無(wú)法釋放。

              對此,日本理化學(xué)研究所H.Hirayama研究團隊、德國柏林工業(yè)大學(xué)C.Kuhn研究團隊曾陸續提出過(guò)以電子阻擋層抑制電子的泄漏、使用隧穿結來(lái)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(jìn)展。

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              陳長(cháng)清、戴江南團隊本次研發(fā)成果解決了這一國際難題

              單片集成技術(shù),是將兩個(gè)或兩個(gè)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(zhì)上,這種系統級的創(chuàng )新能構建一個(gè)新的器件環(huán)境,實(shí)現“片上系統”。陳長(cháng)清、戴江南科研團隊提出了引入單片集成技術(shù)的新思路,將p-i-n氮化鎵探測結構原位生長(cháng)在深紫外LED外延結構上(MPC-DUV LED:Monolithic integration of deep ultraviolet LED),實(shí)現具有載流子循環(huán)注入、光倍增放大功能的芯片器件。

              陳長(cháng)清、戴江南團隊通過(guò)長(cháng)時(shí)間的調研和探索,創(chuàng )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(fā)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(chǎn)生的電子空穴對發(fā)生分離,空穴載流子在電場(chǎng)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(fā)現,在小電流下,傳統DUV LED芯片是電流驅動(dòng)的工作模式,其出光功率呈線(xiàn)性增長(cháng)。與之不同的是,MPC-DUV LED芯片是電壓驅動(dòng)的工作模式,其出光功率呈指數型增長(cháng)。

              A點(diǎn)所對應的光譜積分得到其真實(shí)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(jìn)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(guò)APSYS仿真計算,i-GaN層中的電場(chǎng)可達5×106 V/cm,超過(guò)氮化鎵材料中蓋革模式的閾值電場(chǎng)(2.4~2.8×106 V/cm),因而有極大的概率在耗盡層中發(fā)生碰撞電離,獲得幾十乃至上百倍的高增益,從而實(shí)現空穴載流子數量級的提高。

              整個(gè)光電循環(huán)的過(guò)程中量子阱中電子和空穴發(fā)生復合發(fā)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(jìn)入到MPC結構中被吸收,高能量的深紫外光子激發(fā)氮化鎵材料產(chǎn)生相應的電子空穴對,并在外加電壓的情況下發(fā)生分離,空穴在耗盡區強電場(chǎng)的作用下發(fā)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(fā)生新的輻射復合,如此循環(huán),最終大幅提高了載流子注入效率。




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