【前沿技术】郭浩中教授团队导入ALD技术,助力UVC LED突破技术难题

日期:2021-06-17    
核心提示:新型冠状病毒(COVID-19)肆虐全球,全球品牌厂商对杀菌净化的意识也大幅提升,无论是表面杀菌、空气杀菌、水净化等相关产品都格

新型冠状病毒(COVID-19)肆虐全球,全球品牌厂商对杀菌净化的意识也大幅提升,无论是表面杀菌、空气杀菌、水净化等相关产品都格外受到关注。其中深紫外光发光二极体(UVC LED)技术尤为热门—短波长的UVC LED可有效破坏微生物之DNA、RNA,达到抑菌效果,进而带动了整体市场规模的发展。

 

然而,UVC LED目前仍存在光电转换效率低与寿命较低等问题,是此技术发展及应用推广过程中必须去面对和解决的难题。其中晶片可以说是UVC LED产业链中的核心,若晶片性能不好,无论封装端如何提升结构、技术,都无法从根本上解决问题。

 

中国台湾阳明交通大学(以下简称“阳明交大”)郭浩中教授团队使用芬兰领先供应商Picosun ALD (Atomic Deposition Layer) 设备沉积出钝化层和阻隔膜,使UVC LED的使用寿命延长、可靠性增强,ALD钝化保护技术可以改善LED昂贵的封装程序进而降低生产成本。

 

郭浩中教授受访时提到:“本研究团队在LED的研究上已经着墨多年,近几年由于UVC LED与Micro LED的崛起,为了有效维持元件本身的光电特性,我们与Picosun密切合作并导入ALD钝化保护技术。尤其UVC LED本身在磊晶过程中会产生许多晶格缺陷,ALD技术的应用就显得相当重要。”

 

UVCLED中的氮化铝镓磊晶层存在晶格不匹配的特性,导致可靠性较低。为了获得最大的光输出功率和较长的工作寿命,LED晶片需要表面钝化以消除由表面缺陷所引起的寄生电流。UVC LED本身具有高铝含量的特性,容易受到空气中的水氧影响,进而产生漏电流,降低元件效率。

 

阳明交大郭浩中教授研究团队导入原子层钝化沉积技术(ALD),沉积Al2O3做为钝化保护绝缘层,再镀上金属电极与后段晶片制程。Al2O3提供极高的绝缘特性,有效减少电流在传输时晶片表面的漏电流,且使用ALD所沉积之Al2O3有非常高的深宽比(high aspect ratio),使其可在垂直侧壁的孔洞上均匀的镀上Al2O3。

 

如图一(a)(b)为披覆在UVC LED表面的钝化保护层(包含使用ALD沉积的Al2O3与使用PECVD沉积的SiO2);若单纯使用一般CVD机台沉积钝化材料如SiO2,容易导致孔洞底部尚未均匀镀膜,开口已经被绝缘材料封闭的现象。

 

 

图一、(a)(b) 高/低倍率条件下UVCLED表面的钝化保护层表面形貌

 

图二(a)比较有无进行ALD钝化保护技术时的元件漏电流特性,可以发现有进行ALD钝化保护技术的元件所产生的漏电流密度约为10–6 A/cm2,远低于没有进行ALD钝化保护技术的5 х 10–3 A/cm2,表示在发光元件元件应用上,ALD钝化保护技术依旧提供优异的钝化保护层技术,使得表面缺陷得以持续抑制,增加辐射复合效率。

 

此外,ALD钝化保护技术抑制漏电流的同时也提供元件良好的可靠度,当元件尺寸缩小时,也代表侧壁缺陷的比例对于整体元件而言已经不可被忽视,此时的ALD钝化保护技术就显得非常重要,其能维持元件本身的特性。

 

图二(b)显示在环境(温度/湿度)为(25 °C/ 60%)的可靠度测试条件下进行的老化测试。可以观察出经过500小时的可靠度测试下,有进行ALD钝化保护技术的UVC LED之光输出功率仅会下降10%,而没有进行ALD钝化保护技术的元件则下降超过40%,代表ALD可以提供更好的成膜品质,减少侧壁缺陷带来的影响。相关研究成果已经刊登至期刊《Photonics2021, 8, 196》。

 

 

图二、(a)比较有无进行ALD钝化保护技术时的元件漏电流特性;

(b)UVC LED在环境(温度/湿度)为(25 °C/ 60%)的可靠度测试条件下时进行的元件可靠度测试

 

随着晶片技术的进步、新材料和封装形式的引入,UVC LED的发光效率、使用寿命、价格问题会渐渐改善。性能提升之后,取代汞灯将是必然趋势。(来源:阳明交大)

 

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