基于AlGaN高效率深紫外LED的最近进展和未来前景外文翻译资料

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基于AlGaN高效率深紫外LED的最近进展和未来前景

Hideki Hirayama, Noritoshi Maeda, Sachie Fujikawa, Shiro Toyoda,和 Norihiko Kamata

RIKEN, Wako, Saitama 351-0198,日本

Saitama University, Saitama 388-8570,日本

E-mail: hirayama@riken.jp

2014年6月22日收到;2014年7月23日修订；2014年7月23日接受;2014年9月17日在线发表

这篇文章演示了AlGaN高效率深紫外LED的最近进展。220 - 350 nm波段深紫外（DUV） led已经意识到发展中晶体生长技术的宽禁带AlN和AlGaN半导体。显著的增加内部量子效率(IQE)已经实现了AlGaN深紫外（DUV）排放量低线面错位密度（TDD）开发生长在蓝宝石基底上的AlN缓冲区。LED的电子注入效率(EIE)也显著增加了通过引入成核势垒(MQB)。我们还讨论光提取效率(LEE),这是最重要的参数实现高效DUV发光二极管。通过开发一个透明p-AlGaN接触层，我们成功地改善光提取效率。279 nm 深紫外LED的最大的外部量子效率(EQE) 获得了7%。在不久的将来EQE可以增加几十个百分比通过改善光提取效率，利用的提高透明的接触层和光子纳米结构。copy;2014日本社会的应用物理

1引言

紫外线(UV)范围内，半导体光源操作的发展,如紫外发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs),是一个重要的课题，因为他们有各种各样的用途。发光二极管和激光二极管的发射波长范围内的230 - 350 nm预计将用于杀菌、水或空气净化、医学和生物化学、高密度光记录光源，白光照明,荧光分析系统, 和相关信息传感领域等各种用途。用于涉及灭菌或与直接水净化以及紫外线治疗,260nm和280nm之间的波长范围是最合适的。

因为他们在紫外线直接跃迁能量范围宽,之间的区域覆盖6.2(AlN)和3.4 eV,为实现紫外发光二极管的候选材料和激光二极管，AlGaN和四元的InAlGaN正吸引越来越多的关注。对紫外线光源使用AlGaN或InAlGaN的主要优势(1)获得的可能性高效光学辐射从量子阱(QWs),(2)生产的可能性和p - n型宽禁带半导体的光谱区,(3)他们物理性质,即，机械,氮化物设备的长寿命,和(4)材料都是免费的从有害的砷、汞和铅提取而来。

我们正在开发高效AlGaN为基底深紫外发光二极管。在本文中,我们演示晶体生长技术的宽禁带,AlGaN实现高效DUV led,并讨论提高器件效率的未来技术。

1. DUV LED的研究背景

在1996年和1999年之间，研究基于氮化铝镓小于360纳米紫外线波长的led有几个研究小组。在美国,针对DUV光源的工作是由美国国防部高级研究计划局的半导体紫外线光(SUVOS)项目来完成。在2002年和2006年之间，南卡罗莱纳大学的一个团队研发了第一个250 - 280纳米基于氮化铝镓 DUV led。在2006年NTT的一个团队发现了最短波长(210nm)IED 使用了AlN发射层。我们开始在1997年研究基于氮化铝镓 DUV led,发现第一个有效DUV(230nm)激光发光(PL) 从AlGaN/ AlN 量子阱, 和333nmAlGaN量子阱碳化硅紫外LED在1999年。我们也用AlGaN开发效率高紫外线发光二极管用在公司。　我们演示了几兆瓦连续波从340 - 350 nm紫外线InAlGaN-QW操作。

280 -纳米带的发展AlGaNDUV led 实现高效、大功率操作最近变得非常有竞争力,因为他们在灭菌领域将有一个巨大的市场。在2007年我们为,AlGaN和四元InAlGaN-QWs 开发了一个增长方法低线面错位密度(TDD)AlN模板在蓝宝石基板上,取得了高内部量子效率(gt; 60%)在DUV领域。我们也实现较高的电子注入效率(EIE)通过引入一个成核势垒(MQB)设计为电子阻塞层(EBL), 和演示了In基于氮化铝镓紫外发光二极管发射范围宽(222 - 35nm)。通过开发透明p-AlGaN接触层和一个高度反光的p型电极, 我们也改善了深紫外led的光提取效率(LEE)，并且最近取得外部量子效率(EQE)达到7%。日本理化研究所和松下电器已经开始提供商用深紫外LED模块用于灭菌(270nm,10 mW LED模块使用寿命超过10000 h,EQE 2 - 3%)。

260至300纳米波长高效DUV led最近发展成熟的企业 ，由几个公司总结在表i。传感器电子技术(SET)已经开发具有商业化价值波长介于240和360nm的紫外发光二极管, 他们研发了278nm的LED最大外部量子效率（EQE）高达11%。Crystal IS 和 Tokuyama公司通过升华的方法和和氢化物气相外延(HVPE)在单晶AlN基板制造DUV LED分别达到5 - 7% 外部量子效率（EQE）。同时,UVCraftory Nitek,和Nichia开发了高效DUV发光二极管。最近,UVCraftory报道了深紫外LED的外量子效率最高记录为14.3%。UV-LD最短波长达到336nm,通过滨松光子学。

紫外线设备的下一个目标为220 - 350纳米发光二极管和实现250 - 330 nm激光二极管研究开发数十百分比的外量子效率。然而,实现高外量子效率以及波长360纳米以下的紫外发光二极管仍然在一些主要问题上存在挑战。360nm一下的紫外LED的效率突然下降主要是由于以下三个因素:

1. AlGaN的IQE对于TDD比GaN更敏感。
2. p-AlGaN空穴浓度很低,导致低填充效率(IE)。
3. 因为p-GaN接触层对紫外线的吸收导致LEE低。

　low-TDDAlN模板的发展是最重要的,因为如果我们使用传统高TDD模板AlGaN-QWs的IEQ低至1% 。未了获得高达60%以上的IQE,减少TDD在5times;10^8平方厘米以下是必需的。在蓝宝石上制造这样一个low-TDD AlN模板,有必要引入一些特殊的生长条件。Low-TDD AlN单晶片在生产高IEQ上有优势，尽管他们是昂贵的用作商用DUV led。我们在蓝宝石上使用“氨(NH3)脉动流多层(毫升)增长”方法制备AlN模板, 我们已经从AlGaN以获得约60% QWs。同时,为实现high-IQE DUV 发射,使用四元InAlGaN用几个百分点铟(In)是有效的。

AlGaNDUV led强烈的器件属性取决于p-AlGaN的属性。240(GaN)240伏(AlN)。由于电子p-side层的泄漏导致DUV的EIE减少。串联电阻高p型层也变成了一个设备属性问题。由于缺乏高洞穴密度 p型AlGaN,我们必须使用p-GaN接触层。由于p-GaN接触层强烈的DUV光吸收导致LEE显著减少。DUVLED LEE通常为8%。透明p-AlGaN接触层和高度反射p型电极为实现highLEE器件是可取的。

当前的270 nm EQE DUV led在我们组大约是7%,这是由60%IQE,80%EIE,和15%LEE。进一步改善EQE预计为我们商业生产可用DUV led。增加每个人的技术，以下各部分将描述这些效率。

3.制造高效220 - 350 nm紫外线发光二极管的基本技术

TDD的传统AlN蓝宝石衬底缓冲层,这是模拟的使用低温(LT)-AlN缓冲区,通常大于2times;10^10厘米-2 。在另一方面,TDD的10^-8 ~10^-9厘米-2需要获得highIQE DUV从AlGaNQWs发射。几个制造获取高质量的AlN的方法已经被报道，例如,缓冲使用/AlGaN超晶格(SLs)，种植交替气体源,AlGaN缓冲层由外延横向沉积生长(EOL),和一个由在碳化硅上交替的能源供给外延制造的GaN /AlN SLs和AlGaN。

需要满足几个条件,实现优质AlGaN/模板适用于DUV 发射器。无l裂痕low-TDD 表面和稳定的Al( c)极性。获得上面所提到的所有的条件,我们引入了一个“氨(NH3) 脉动流多层(ML)增长”的制作方法在蓝宝石上制作AlN层。图1显示了典型的气体流序列和生长控制的示意图使用脉冲和连续流气体喂养方法用于氨(NH3) 脉动流多层(ML)AlN增长。

样本通过低压摘要化学汽相淀积(LPMOCVD)生长在蓝宝石基板(0001)。首先,一个AlN成核层和一个“埋葬”AlN 层都通过氨(NH3) 脉动流多层(ML)增长沉积。三甲基铝(TMAl)在NH3脉动流序列期间连续流动,如图1所示。Low-TDD AlN可以通过促进镍的聚结形成AlN成核层。第一层AlN的增长后, 因为低增长率的脉动流模式技术，表面仍是粗略的。我们引入了一个高成长速率连续流动模式,以降低表面粗糙度。通过重复脉冲和连续流模式,我们可以获得无裂痕,密集的AlN厚层的原子浅表面。因为增强的前体迁移，氨(NH3)脉动流多层(ML）增长是有效的获取优质AlN的方法。此外,它是有效获取稳定Al( c)极性,这对于抑制反演从Al到N极性是必要的通过维持含有如此丰富铝增长条件。详细的描述的生长条件见参考文献15和19。典型的脉冲和增长率连续流动模式大约分别为0.6和6micro;m / h。DUV LED使用ML-AlN的优势是方法简单,low-TDD可以不需要获得AlGaN层,产生一个器件结构可以达到最小DUV吸收。

ML-AlN缓冲区的总厚度是典型的4micro;m。典型的完整半波峰宽度在x射线衍射和ML-AlN的omega;扫描摇摆曲线分别大约是370和180正反割函数,通过一个高度均为3times;2英寸的金属反应堆。最低完整半波峰宽度应用从1times;2英寸反应堆金属获得分别大约290和180正反割函数。从横截面透射电子显微镜(TEM)观察图像MLAlN的最小的边缘和螺旋式的位错密度都分别低于5times;10^8 和4times;10^7厘米-2 。通过原子力显微镜(AFM)我们观察到表面改善通过多层AlN的增长,我们终于可以确定一个光滑的原子平面。从AFM图像可以得出 ML-AlN表面粗糙度的平方根是0.16nm。

通过在low-TDD AlN模板虚构AlGaN-QWs我们观察到DUV的发射的显著增强。图2显示了PL峰强度，测量在室温下为270 nm -发射(RT) ，AlGaN-QWs ML-AlN模板制作用不同的omega;扫描摇摆曲线半最大宽度。QWs与244nm的氩离子激光二次谐波产生激烈的反应。励磁功率密度是固定在200 W 每平方厘米。通过减少 XRC FWHM，AlGaN QW的PL排放强度的明显增加，如图2所示。从图2我们可以看出,发射效率algan强烈依赖于片状TDD。通过减少 XRC FWHM从1350到550反正割函数，PL的强度增加了约8倍。我们还证实,组建在ML-AlN(TDD大约是5times;10^8厘米-2 )上的AlGaNQWs的排放强度是那些组建在传统high-TDD缓冲区(TDD高于2times;10^10厘米-2)的大约80倍。PL强度的快速增加可以解释为随着TDs之间的距离大于QW载流子扩散长度使得非辐射的复合率减小。在DUV发射AlGaN-QWs方面，IQE和TDD之间的关系可以参考文献27 和39调查。

自从由于铟并入的影响，高效紫外线排放以及更高的空穴浓度得以实现，四元合金InAlGaN作为实现UV-LEDs的候选人材料吸引了广泛的关注。电子空穴对在低电位段局部释放在被困在非辐射的中心引起的混乱之前。因此,铟元素的加入的优势是发射效率对于TDD不太敏感。我们参考文献2、11、12、17有描述使用四元InAlGaN合金的优点。

图3总结了在2008年发现集成PL强度的比值(PL以RT 低温对PL测量(通常低于20 K)依赖于波长,波长也与 IQE有关。即使当我们使用high-TDD模板(TDDsup3;2times;10^10厘米-2 )，340 nm InAlGaN QW的IQE约为30 - 50%。然而使用短波QWs(280nm)，IQE减少到2%以下。另一方面,我们实现了高IQE通过引入low-TDD ML-AlN模板。从280nmAlGaNQW和InAlGaN QW获得集成PL强度的比率为分别为30% 和 86%,当我们使用low-TDD ML-AlN 模板(TDDsup3;7times;10^8厘米-2)。IQE在RT也可以从观察到RT PL强度估计。我们能观察到AlGaNQWs的IQE更高值(50 - 60%),通过实现减少TDD和优化AlGaN增长条件。

AlGaN和四元InAlGaN DUV led都制造在low-TDD ML-AlN模板上。图4显示了在蓝宝石衬底上制作的基于氮化铝镓 DUV LED的结构示意图和横断面TEM图像。High-Al-compositionAlGaN层被用来获得短波长DUV排放。一个典型的LED结构由一个生长在蓝宝石上大约4-micro;m厚的ML-AlN缓冲层，紧随其后的是一个由1.5 nm厚AlN阱和7-nm-厚AlGaN障碍组成的3层发光区域，一个大约20-nm厚无掺杂AlGaN障碍,6双镁化学计量AlGaN/AlGaNMQB电子电子阻塞屏障,和化学计量GaN接触层。

量子井厚度从1.3到2nm不等。对于AlGaNQWs压制大型压电效应，薄量子井更可取。镍/金电极用于n型和p型电极。典型的

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