Повышенная эффективность излучения светодиода из нитрида алюминия глубиной ультрафиолетового излучения на длине волны 210 нм

1. 1. Введение Свет, видимый человеческому глазу, находится в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм,...
2. 3. Эмиссионные характеристики AlN
3. 4. На пути к высокоэффективным глубоким УФ-светодиодам AlN
4. 5. Вывод
5. Рекомендации

1. Введение

Свет, видимый человеческому глазу, находится в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, как показано на рис. 1 . Цвет видимого света с самой короткой длиной волны - фиолетовый. Свет с длиной волны менее 400 нм называется ультрафиолетовым (УФ) светом. Ультрафиолетовый свет от 300 до 400 нм называется ближним ультрафиолетовым светом, от 200 до 300 нм - глубоким ультрафиолетовым светом, а короче 200 нм - вакуумным УФ-светом. Поскольку вакуумный ультрафиолетовый свет поглощается воздухом, глубокий ультрафиолетовый свет - это свет с самой короткой длиной волны, который можно использовать в нашей среде обитания.

Рис. 1. Применение источников ультрафиолетового света.

Источники глубокого УФ-излучения имеют широкий спектр применения. Поскольку у коротковолнового света более высокая энергия фотонов, энергия фотонов источников глубокого УФ-излучения достаточно высока, чтобы убивать бактерии и вирусы и разлагать вредные стабильные вещества, такие как диоксины и полихлорированные дифенилы (ПХД), которые вызвали серьезные экологические проблемы по всему миру. Поэтому источники глубокого УФ-излучения используются в оборудовании для очистки, стерилизации и защиты окружающей среды. Кроме того, поскольку фокусная точка света уменьшается с уменьшением длины волны, источники глубокого УФ-излучения имеют потенциал для использования в оптической записи данных высокой плотности и технологии нанотехнологий. Кроме того, они также должны использоваться в медицинских процедурах и аналитических приборах.

Большинство источников глубокого ультрафиолетового света, используемых в настоящее время, представляют собой газовые источники света, такие как ртутные лампы или эксимерные лазеры. Они содержат токсичные вещества, которые вызывают серьезные проблемы с окружающей средой, имеют большие размеры и низкую эффективность и надежность. Кроме того, длины волн излучения фиксированы на уровне 254 нм для ртутных ламп и 193 нм для ArF-эксимерных лазеров.

С другой стороны, полупроводниковые светоизлучающие устройства, такие как светодиоды (LED) и лазерные диоды (LD), безвредны для окружающей среды, компактны, высокоэффективны и надежны. Кроме того, длина волны излучения может быть настроена путем изменения состава полупроводника. Поэтому полупроводниковые источники света с глубоким ультрафиолетовым излучением представляют большой технологический интерес в качестве альтернативы крупным токсичным источникам с низким КПД и будут выгодны для множества новых применений.

2. УФ светоизлучающие полупроводники

В полупроводнике свет излучается, когда электроны (отрицательные заряды) и дырки (положительные заряды) объединяются. Длина волны излучаемого света определяется энергией запрещенной зоны полупроводника. Поскольку длина волны излучения обратно пропорциональна энергии запрещенной зоны, полупроводник с более высокой энергией запрещенной зоны излучает свет с более короткой длиной волны. Для излучения ультрафиолетового света на длинах волн ниже 400 нм необходим полупроводник с энергией запрещенной зоны выше 3 эВ.

Нитрид галлия (GaN), материал, используемый для голубых светодиодов высокой яркости и фиолетовых ЛД для оборудования Blu-ray, имеет энергию запрещенной зоны 3,4 эВ. Длина волны излучения составляет 365 нм, что находится в ближней ультрафиолетовой области. Почти УФ-GaN-светодиоды в настоящее время имеются в продаже и используются для белого освещения и для подсветки жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев).

Как и GaN, нитрид алюминия (AlN) имеет гексагональную кристаллическую структуру вюрцита ( рис. 2 ) и является полупроводником с прямой запрещенной зоной с энергией запрещенной зоны 6 эВ, самой высокой среди доступных полупроводников. Следовательно, теоретически было предсказано, что AlN излучает свет с длиной волны 210 нм, что является самым коротким значением среди полупроводников. Длина волны излучения AlGaN, который является тройным сплавом AlN и GaN, изменяется от 210 до 365 нм (от глубокого ультрафиолетового до ближнего ультрафиолетового диапазона) при изменении состава сплава. Следовательно, AlN является ключевым материалом для УФ-полупроводниковых применений.

Рис. 2. Кристаллическая структура GaN и AlN.

На сегодняшний день нами разработан метод выращивания высококачественного кристалла AlN и технология его легирования p- и n-типа [1], [2]. С помощью этих технологий мы успешно продемонстрировали глубокий ультрафиолетовый AlN-светодиод с длиной волны 210 нм, самой короткой длиной волны, когда-либо наблюдаемой в любом полупроводнике. Однако эффективность излучения AlN-светодиода с глубоким УФ-излучением намного ниже, чем у GaN-светодиода с ближним УФ-излучением. Для глубокого УФ-светодиода AlN ключевым вопросом для практического использования является повышение эффективности излучения.

3. Эмиссионные характеристики AlN

Причиной низкой эффективности излучения глубокого УФ-светодиода AlN по сравнению с ближним УФ-светодиодами GaN является то, что AlN обладает свойствами направленного излучения света (сильная оптическая поляризация) [3]. Как показано на рис. 2, AlN и GaN оба имеют гексагональную кристаллическую структуру вюрцита, которая характеризуется постоянной c-решетки и постоянной a-решетки. Кристалл имеет разные кристаллические плоскости, такие как A-плоскость и C-плоскость. Поскольку AlN имеет более высокую прочность связи и ионность, он искажен, поэтому отношение между константами c- и a-решетки, c / a, меньше. Хотя разница в соотношении c / a между AlN и GaN составляет всего 1,5%, разница в их эмиссионных свойствах велика, поскольку физические свойства полупроводников очень чувствительны к кристаллической структурной модификации.

Как показано на рис. 3 , как и у других полупроводников, GaN имеет изотропную диаграмму излучения; то есть свет излучается равномерно со всех кристаллических плоскостей. Однако для нитридных полупроводников при уменьшении отношения c / a излучение становится слабым параллельно направлению оси c, но сильно перпендикулярно к нему (параллельно оси a). Следовательно, из-за его малого отношения c / a AlN имеет анизотропную диаграмму излучения, когда свет едва излучается из C-плоскости, но излучается преимущественно из A-плоскости. Интенсивность излучения от A-плоскости оценивается в 25 раз выше, чем от C-плоскости. Эта характеристика AlN является уникальной среди полупроводников.

Рис. 3. Эмиссионные свойства GaN и AlN.

С точки зрения роста кристаллов ориентация поверхности в C-плоскости является предпочтительной для выращивания высококачественных AlN и GaN, поэтому обычно изготавливают светодиодные структуры в C-плоскости. Однако для AlN, из-за более сильного излучения в A-плоскости, желательна структура LED в A-плоскости, чтобы улучшить извлечение света и повысить эффективность излучения.

4. На пути к высокоэффективным глубоким УФ-светодиодам AlN

Мы изготовили Al-глубокую ультрафиолетовую светодиодную структуру A-плоскости, показанную на рис. 4 [4], методом метаорганической парофазной эпитаксии (MOVPE) с использованием подложки SiC в A-плоскости. Поскольку AlN растет эпитаксиально на SiC, а разница в постоянных решетки между AlN и SiC невелика, можно выращивать высококачественные слои AlN в A-плоскости. Светодиод AlN состоит из сверхрешеток AlN / AlGaN n-типа, слоя AlN n-типа, светоизлучающего слоя AlN высокой чистоты, слоя AlN p-типа и сверхрешеток AlN / AlGaN p-типа. В СИД отверстия от AlN p-типа и электроны от AlN n-типа подаются на светоизлучающий слой. Когда дырки и электроны объединяются, излучается свет. Мы использовали сверхрешетки n- и p-типа для уменьшения контактного сопротивления электродов.

Рис. 4. А-плоскость AlN LED.

Спектр излучения AlN-светодиода A-плоскости показан на рис. 5 (а) . При подаче прямого напряжения наблюдалось излучение глубокого ультрафиолетового света при 210 нм, той же длине волны, что и у AlN-светодиода в C-плоскости. Диаграммы излучения светодиодов в плоскости A и C показаны на рис. 5 (б) . Вдоль нормали поверхности (0 °) для светодиода плоскости А интенсивность излучения была максимальной. С другой стороны, для светодиода С-плоскости он был слабым вдоль поверхности нормали. Эти результаты подтверждают, что структура A-плоскости усиливает излучение поверхности светодиода. Таким образом, для светодиодов глубокого УФ-излучения AlN, поскольку ориентация поверхности сильно влияет на свойство излучения, конструкция устройства, основанная на уникальных свойствах излучения AlN, важна для повышения эффективности излучения.

Рис. 5. Эмиссионные свойства светодиодов AlN.

5. Вывод

Мы изготовили AlN-светодиод глубокого УФ-излучения с поверхностью A-плоскости для высокой эффективности излучения. Для полупроводниковых источников ультрафиолетового света мы планируем еще больше повысить эффективность излучения глубокого УФ-светодиода AlN до практического уровня.

Рекомендации

[1] Й. Таниясу, М. Касу и Т. Макимото, Глубокие ультрафиолетовые светодиоды из нитрида алюминия, Технический обзор NTT, Vol. 4, № 12, с. 54–58, 2006.
https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr200612054.pdf [2] Y. Taniyasu, M. Kasu, T. Makimoto, «Светодиод из нитрида алюминия, с длиной волны 210 нанометров», Nature Vol. 440, pp. 325–328, 2006. [3] Y. Taniyasu, M. Kasu, T. Makimoto, Радиационные и поляризационные свойства излучения свободных экситонов с поверхности AlN (0001), Appl. Phys. Lett., Vol. 90, № 26, с. 261911, 2007. [4] Y. Taniyasu и M. Kasu, Поверхностное излучение света на длине волны 210 нм от светоизлучающего диода AlN pn-перехода, усиленного ориентацией роста в плоскости A, Appl. Phys. Lett., Vol. 96, № 22, с. 221110, 2010. Ёситака Таниясу Старший научный сотрудник, заслуженный технический член, Исследовательская группа по тонкопленочным материалам, Лаборатория материаловедения, Лаборатория фундаментальных исследований NTT.
Он получил BE, MS и Dr.Eng. степень по электротехнике в Университете Тиба в 1996, 1998 и 2001 годах соответственно. Он присоединился к Лаборатории фундаментальных исследований NTT в 2001 году. Он занимался исследованиями полупроводников с широкой запрещенной зоной. Его текущие интересы - эпитаксиальный рост и применение в устройствах нитридных полупроводников, особенно нитрида алюминия (AlN). Он получил премию молодого ученого за вручение отличной работы в Японском обществе прикладной физики (JSAP) и премию молодого ученого на конференции по полупроводниковым и изоляционным материалам 2007 года. Он является членом JSAP. Макото Касу Руководитель группы тонкопленочных материалов, Лаборатории материаловедения, Фундаментальных исследовательских лабораторий NTT, и руководитель проекта SCOPE «Алмазные транзисторы для усилителей мощности RF в микроволновом / миллиметровом диапазоне» Министерства внутренних дел и Связь Японии (2006–2011).
Он получил BE, ME и Ph.D. степень по электротехнике в Киотском университете в 1985, 1987 и 1990 годах соответственно. Он присоединился к Лаборатории фундаментальных исследований NTT в 1990 году. Он занимался исследованиями полупроводников III-V, в основном технологиями выращивания кристаллов атомного порядка и изготовления наноструктур. С 2003 по 2004 год он был приглашенным исследователем в Ульмском университете, Германия. В 2007 году он был приглашенным профессором в Парижском университете. В настоящее время он также читает лекции по радиочастотным устройствам и схемам в университете Васэда. Его недавние интересы связаны с выращиванием кристаллов и применением устройств в широкозонных полупроводниках, таких как алмаз и нитриды, а также в светодиодах из нитрида алюминия (AlN). Он является членом JSAP, Института инженеров электроники, информации и связи Японии, Японского общества поверхностных наук, Японской ассоциации роста кристаллов и Общества исследования материалов. За исследования нитридов он получил награду «Симпозиум электронных материалов». Он опубликовал более 100 рецензируемых публикаций и 30 обзоров, представил 27 приглашенных докладов на международных конференциях и имеет 40 патентов.

↑ ТОП

Похожие

Комментарии