专家学者直击固态紫外材料与器件新进展,加速前沿技术赋能产业发展

日期:2023-02-24 来源:半导体产业网阅读:655
核心提示:第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高等优越性质。其在紫外器件中具备其他半导体材料难以比拟

 第三代半导体材料禁带宽度大,具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高等优越性质。其在紫外器件中具备其他半导体材料难以比拟的优势,展现出巨大的应用潜力。随着环保及公共安全等领域的需求升级,固态紫外技术拥有广阔的应用前景。氮化物半导体涉及蓝/白光LED、紫外LED,微波射频器件、功率电子器件等诸多应用,比如深紫外光源已用于日常生活、生产科研、国土安全等领域。

固态紫外技术

2023年2月7-10日,开年盛会,第八届国际第三代半导体论坛(IFWS)&第十九届中国国际半导体照明论坛(SSLCHINA)于苏州胜利召开。 期间,“固态紫外材料与器件技术分论坛“在厦门大学康俊勇教授和中科院半导体所闫建昌研究员的主持下如期召开。

康俊勇

主持人:厦门大学康俊勇教授

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主持人:中科院半导体所闫建昌研究员

该论坛由山西中科潞安紫外光电科技有限公司、苏州思体尔软件科技有限公司协办支持。日本三重大学教授三宅秀人,南京大学电子科学与工程学院周玉刚教授,厦门大学物理科学与技术学院副院长黄凯教授,复旦大学信息科学与工程学院光源与照明工程系崔旭高副教授,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所司志伟,美国Bolb Inc.董事长兼首席技术官张剑平博士,中科院长春光机所孙晓娟研究员,郑州大学电气与信息工程学院教授、科技部电子材料与系统国家级国际联合研究中心主任、河南省电子材料与系统国际联合实验室主任刘玉怀教授,中科院宁波材料所张文瑞研究员,湖北大学材料科学与工程学院黎明锴教授,厦门大学高娜副教授,苏州思体尔软件科技有限公司技术支持工程师茅艳琳,华中科技大学郑志华等围绕固态紫外材料与器件前沿技术进展及创新应用分享主题研究报告。

三宅秀人

日本三重大学三宅秀人教授 做了题为“在面对面退火AlN/蓝宝石模板上制备265nm AlGaN LED”的主题报告。报告UV-C LED的应用与现状和面对面退火溅射沉积AlN模板(FFA Sp AlN)。FFA-Sp-AlN中位错的减少,FFA-Sp-AlN中位错的表征,107cm-2位错密度AlN模板的制备,FFA-Sp AlN上AlGaN的MOVPE生长及UV-C LED的制备;抑制小丘和改善表面形态,TDD和表面平整度对UV-C LED EQE的影响。

周玉刚

南京大学电子科学与工程学院教授周玉刚做了题为”提高AlGaN基DUV-LED效率的薄p-GaN上的银基镂空反射电极“的主题报告,结合研究数据与结果,报告指出Ag纳米点/Al作为p电极可以显著改善具有薄p-GaN覆盖层的DUV LED的LOP。然而,钝化后接触不稳定,LOP和WPE急剧下降。LOP降低涉及对于薄p-GaN,接触势垒高度的轻微增加将增强p-GaN的耗尽,导致空穴注入效率的降低。钝化后,40nm Ag/TiAl LED的WPE是40nm Ag/Al LED的1.475倍200nm Ag/TiAl发光二极管的1.38倍。Ag纳米点/TiAl接触是稳定的。Ti用作良好的扩散阻挡层。DUV LED用薄p-GaN上的图案化/中空反射电极的进一步优化正在进行中。

黄凯

氧化镓材料体系的器件越来越受到广泛的研究和关注,主要涉及功率器件、光电子器件等。厦门大学物理科学与技术学院副院长黄凯教授做了题为”Ga2O3/GaN 异质结紫外探测器光电特性研究“的主题报告,分享了Ga2O3/GaN异质结的波段可调-超窄带响应紫外探测器、Rh纳米颗粒提升日盲紫外探测器性能研究、高响应度Ga2O3/GaN核壳纳米柱结构紫外探测器的研究进展。报告指出,利用热氧化法获得Ga2O3/GaN异质结构并制备成功MSM紫外光电探测器;Ga2O3/GaN异质结光电探测器表现出可利用偏压调制光电响应谱的特性;利用Rh纳米颗粒阵列修饰提高了探测器的日盲波段光电响应特性;利用微/纳米柱阵列增强了探测器件的近紫外光电响应特性。

崔旭高

复旦大学信息科学与工程学院副教授崔旭高做了题为”深紫外micro-LEDs的效率尺寸效应及其应用“的主题报告,分享了UV-C micro-LED的尺寸效应、UV-C micro-LED高效通信、UV-C micro-LED发光探测的研究进展,报告指出深紫外LED发光效率仍需要得到提高,以便满 足这些领域的需求。优化LED的尺寸,更大的光提取效率,进而得到更高的外量子效率。在未来,通过研究侧壁缺陷、侧壁面积比、侧壁倾角对量子效率影响,研究侧壁载流子复合机制。利用TM模面内传播特性,可以在环形侧壁形成回音壁谐振腔(whispering gallery mode),研究微腔UVC激光器。

司志伟

WG 、 PC,半导体光学微腔广泛应用于通信、传感、量子。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所司志伟做了题为”室温紫外GaN微碟激光器“的主题报告,GaN异质生长产生失配缺陷是目前的关键问题,报告分享了氮化镓微碟研究进展与结果,研究利用同质衬底上形核获得无应力、低位错密度、形貌规则的氮化镓微碟;首次利用助熔剂法制备了紫外激射的氮化镓微碟,光泵激发阈值为0.08 mW,Q值~1278,为微碟激光器制备提供了新方法;室温紫外激射行为出现和微碟六个侧面对光的限制实现全反射、低的深能级缺陷、低的应力以及低的表面粗糙度有关;解释了近阈值条件下受激辐射相对自发辐射红移现象,室温下弱束缚激子和高激发功率下库仑屏蔽效应( EHP机制);进一步控制杂质掺入、降低缺陷,从而改善GaN微盘的光学质量;进一步调节生长时间、优化Ga/Na比值,控制生长形貌/尺寸/表面粗糙度,对实现更高品质因子(Q)和易激射微碟激光器具有重要作用。报告指出,下一步,对光场模拟进一步优化,精确判断光学模式。 

张剑平

美国Bolb Inc.董事长兼首席技术官张剑平做了题为“透明紫外C波段发光二极管的光提取效率和性能”的线上主题报告。综述了Bolb 公司深紫外(265-275 nm)LED产品的研发和生产水平。归因于采取了透明外延结构,研发成功的269纳米深紫外LED在350毫安下光功率输出达到了213毫瓦,对应的光电转换效率高达8.8%。量产型270纳米深紫外LED一般在250毫安下光功率为100毫瓦左右,对应的光电效率~7%。进一步报道了一种基于载流子复合模型,即ABC模型,来提取LED取光效率和内量子效率的新方法。运用这个方法分析LED的功率-电流-结温数据,可以拆解LED的外量子效率,从而得到其内量子效率和取光效率。运用该方法,该公司的研发型深紫外LED的取光效率为16-17%,峰值内量子效率在82%左右;生产型深紫外LED的取光效率一般在 11%-14%,峰值内量子效率在70-80%。由此可见,目前制约深紫外LED光电转换效率的主要因素是取光效率。我们拆解LED取光效率的新方法由此可以为各种深紫外LED的光电转换效率提升技术提供重要的实验指导。基于载流子复合,进一步推出了一个LED寿命的数学模型。LED寿命主要由两大因素制约:初始缺陷密度和缺陷增值的复合利率。其中,初始缺陷密度由缺陷激活能和结温共同决定,缺陷增值复合利率正比于电流密度的平方。该寿命模型完美拟合了3000,5000,和长达10000小时的深紫外LED的寿命测试数据,能够准确预测LED寿命表现。根据我们的测试和模拟,BOLB公司的深紫外LED在室温250毫安驱动下的L70寿命在1-10万小时区间。

孙晓娟

中科院长春光机所研究员孙晓娟做了题为”氮化物范德华外延:基底构建、多性能控制和紫外光电器件应用“的主题报告,分享了基于石墨烯复合基底构建与成核调控,基于二硫化钼的氮化物范德华外延极性调控,基于金属衬底的氮化物范德华外延的研究成果。报告指出,提出英寸级二维材料的原位生长和调控方法,为氮化物范德华外延的批量化生产延奠定衬底基础;基于MOCVD高温NH3处理,实现石墨烯的原位N原子掺杂,调控氮化物成核生长特性,进而优化外延层晶体质量;以MoS2作为插入层,实现高质量N极性氮化物的范德华外延,刃位错密度降低约一个量级,极化场调控的紫外光电探测器响应度显著提高;实现了多晶金属衬底上具有c择优取向的氮化物范德华外延,外延层具有优异的散热特性。

刘玉怀

郑州大学电气与信息工程学院教授、科技部电子材料与系统国家级国际联合研究中心主任、河南省电子材料与系统国际联合实验室主任刘玉怀做了题为”AlGaN基深紫外发光器件设计与仿真研究“的主题报告,目前,实现DUV LD最重要的挑战是实现低于10kA/cm2的注入电流密度,结合研究结果,研究指出WG分级诱导体极化电荷,这补偿了诱导的极化电场,并抑制了NW LD有源区的场泄漏。QBs厚度增加,抑制了NW LD的MQW电子泄漏。n-Cl和n-WG的分级用于提高薄膜LD的OCF、增益和功率。对于AlGaN NW LED,无EBL的分级HSL有效地阻止了电子溢出,并有效地增强了向MQW的空穴注入。AlInN超晶格EBL在MQW内提供了优异的电子空穴重叠,结果为AlGaN LED获得了显著更高的IQE和发射功率。

张文瑞

中科院宁波材料所研究员张文瑞带来了题为”微米级氧化镓厚膜的载流子定向输运与深紫外光电探测“的主题报告,分享了Ga2O3薄膜的相位控制、具有精细厚度控制的异质外延ε-Ga2O3薄膜、ε-Ga2O3薄膜的光学吸收、厚度相关光电流、动态光响应、缺陷随厚度演变的深度剖面XPS分析、厚区域辅助的定向载流子输运等研究进展和成果。

黎明锴

湖北大学材料科学与工程学院教授黎明锴做了题为”P型SnO2及其同质pn结UV光电探测器的制备“的主题报告,分享了最新研究进展,研究结果显示,通过Hf掺杂降低了SnO2的氧空位,极大改善了持续光电导效应;Hf0.38Sn0.62O2光电探测器,截止波长<290 nm,响应速度~50 ms,暗电流~0.5 pA;通过两步法进行Mg掺杂SnO2,实现了p型SnO2外延薄膜;制备了SnO2同质pn结型紫外光电探测器,0偏压自驱动条件下光响应速度达到0.5 ms;未来实现Hf掺杂SnO2的p型与n型掺杂,以实现对日盲紫外光的高速探测。

高娜

厦门大学副教授高娜带来了题为”基于AlN/GaN超短周期超晶格的深紫外短波光发射调控“的主题报告,分享了精细多晶面调控倒棱锥台增强234 nm深紫外光发射,应力工程调控短至220 nm波长深紫外光发射的研究进展与成果。研究显示,采用(AlN)8/(GaN)超短周期超晶格,解决传统高Al组分AlGaN量子结构所面临的光学各向异性问题;引入新型多晶面调控的倒棱锥台纳米结构,实现234 nm光提取5.6倍、整体发光近2倍的增强;通过施加压应力调控禁带宽度,实现短至220 nm波长的深紫外光发射,超越了平面短周期超晶格结构及传统同组分AlGaN三元混晶。 

茅艳琳1

苏州思体尔软件科技有限公司技术支持工程师茅艳琳做了题为”深紫外LED仿真设计及操作关键技术进展“的主题报告,报告介绍了芯片设计优化,优化金属接触以实现更高的反射,用隧道结消除p-GaN接触层等研究成果。研究显示,与大型芯片相比,使用30µmµLED阵列可以提高电流分布和温度的均匀性。结温度显著降低,而表面复合造成的损耗是可接受的(低电流时为10%,高电流时为2%)。电极材料的选择是至关重要的,因为除铝外,大多数传统金属的紫外反射率都很低。消除具有高UV吸收的p-GaN层对于改善LEE至关重要。特别是,由于吸收从104 cm-1减少到103 cm-1,预计LEE将从15%增加1.5倍至22%。AlGaN/InGaN/AlGaN隧道结的使用预计能够以0.1-0.3V的额外电压降为代价通过103-104A/cm-1的电流密度。 

郑志华

华中科技大学郑志华做了题为”深紫外光电器件的光场调控研究“的主题报告,分享了深紫外发光器件、紫外光电探测器的研究进展与成果,研究提出了双层NPA DUV LED器件结构,可以更好地将器件内部原本被损耗的光提取出来。与平面器件相比,实现了28.3%的光输出功率(LOP)提升。结合PEDOT: PSS透明有机电极与高质量氧化镓单晶微米线构建异质结,具有优异的整流特性(~106),器件在自供电状态下实现了短至530μs的上升速度τ1,39.8mA/W响应度,以及良好的稳定性。通过电化学刻蚀制备Nanoporous AlGaN结构,紫外波段的反射率极大降低。进一步氧化后制备的MSM器件的暗电流下降至fA,光谱响应蓝移,增强的表面光场也带来了响应度的提升。 

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