沙烏地阿拉伯阿布杜拉國王科技大學(King Abdullah University of Science and Technology;KAUST)的研究人員在最近一期的《光學快遞》(Optics Express)期刊中發表一種設計紫外光發光二極體(UV LED)的新途徑,能讓基於氮化鋁鎵(AlGaN)的UV LED效率不至於衰減。

一般來說,基於AlGaN的UV LED由於存在較低的內部量子效率、低擷取效率、低摻雜效率、極化電場大以及差排密度外延高等缺點,這些都限制了UV LED在高功率的應用。

20170213 UVLED NT01P1 在鈦/矽基板上生長的3D奈米線UV LED示意圖

研究人員一開始採用鈦覆蓋的矽晶圓以及依靠電漿輔助的分子束外延(PAMBE),使其得以生長有效隔離的無缺陷矽摻雜氮化鎵(GaN)奈米線,其中每一個都嵌入10個均勻形成AlGaN/AlGaN量子磁碟(Qdisk)的堆疊。

雖然每一發射奈米線的直徑約8nm、長約350nm,但在實際的實驗中,肉眼可見的大型LED是由一整區密集堆積的垂直排列奈米線(以大約9x109 cm^−2的密度)所組成。

奈米線的結構性特徵: 20170213 UVLED NT01P2 (a) 橫截面SEM圖顯示垂直排列的奈米線 (b) 在Ti / Si基底上生長的元件俯視圖顯示緊密堆積的奈米線 (c) 顯示n型AlGaN層、AlGaN/AlGaN QDisk、p型AlGaN和p-GaN層的AlGaN奈米線高角度環形暗場影像(HAADF-STEM) (d) 主動區顯示10對均勻的Qdisks形成 (e) Qdisk的放大影像顯示不同的Qdisk組成變化。

該元件在鈦塗覆的n型矽基板上生長,以改善電流注入與熱耗散,它們在337nm (具有11.7nm的窄線寬)時發射UV光源,其電流密度為32A / cm^2 (在0.5×10 .5mm^2元件上約80mA),導通電壓約為5.5V。

在高達120A/cm^2的注入電流下,AlGaN奈米線UV LED仍能保持效率毫無衰減地作業。

該研究的一項有趣之處在於採用鈦塗覆的低成本矽基板來生長奈米線,這不僅能讓製程變得易於擴展,還能結合鈦金屬層帶來的諸多優勢,包括更高的UV反射、更好的熱耗散,以及改善流注入。

編譯:Susan Hong

(參考原文:UV LEDs: solving the droop issue ,by Julien Happich)