氮化物紫外LED在殺菌消毒、生化探測(cè)、醫(yī)療及非視距通訊等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，特別是在2020年新型冠狀病毒疫情中倍受關(guān)注，普及后可以在防御、抗擊各種流行性細(xì)菌病毒中發(fā)揮更加重要的作用，帶來良好而廣泛的社會(huì)效應(yīng)和產(chǎn)業(yè)價(jià)值。隨著2020年禁汞逐步實(shí)施，氮化物紫外LED更是被視為未來紫外光源的發(fā)展趨勢(shì)。
近日，由國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）與第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）主辦，南方科技大學(xué)微電子學(xué)院與北京麥肯橋新材料生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司共同承辦的第十七屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA 2020）暨2020國(guó)際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS 2020）在深圳會(huì)展中心召開。
期間，由山西中科潞安紫外光電科技有限公司、中微半導(dǎo)體設(shè)備（上海）股份有限公司共同協(xié)辦的“固態(tài)紫外器件技術(shù)分會(huì)”上，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員、博士生導(dǎo)師閆建昌帶來了“氮化物深紫外LED研發(fā)方向，從二維材料到納米結(jié)構(gòu)”的主題報(bào)告，分享了其研究成果。
目前深紫外LED的量子效率仍普遍在10%以下，這主要是因?yàn)锳lGaN低的材料質(zhì)量和低的光提取效率。報(bào)告介紹了在提升AlGaN基深紫外LED發(fā)光效率方面的研究工作，特別是基于二維材料的AlN材料和深紫外器件的范德華外延研究以及納米結(jié)構(gòu)深紫外LED性能研究。
基于二維材料準(zhǔn)范德華外延得到的氮化物具有殘余應(yīng)力小、對(duì)襯底依賴性小的特點(diǎn)，有望幫助獲得無應(yīng)力、低缺陷的外延層。我們率先開展單層h-BN上AlN材料的外延，并建立了相關(guān)生長(zhǎng)模型，獲得的AlN表面平整無開裂，5 × 5 μm2范圍內(nèi)的表面粗糙度僅0.25nm；基于多層h-BN，實(shí)現(xiàn)了AlN材料和深紫外LED器件的外延與成功剝離。在納米圖形藍(lán)寶石襯底上，使用二維石墨烯插入層降低Al原子的表面遷移勢(shì)壘高度，實(shí)現(xiàn)了AlN薄膜的高質(zhì)量、快速合并。
采用納米結(jié)構(gòu)，被公認(rèn)為是提高深紫外LED發(fā)光效率的一種有效途徑。研究采用納米球掩膜和干法刻蝕的“top-down”方法首次制備出了無填充劑、電注入發(fā)光的納米柱陣列深紫外LED。研究發(fā)現(xiàn)，納米柱陣列深紫外LED由于具有更高的比表面積，界面態(tài)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)AlGaN量子阱內(nèi)的激子分離為自由載流子，輻射復(fù)合速率增加，內(nèi)量子效率提升了20%；由于納米柱的波導(dǎo)效應(yīng)和布拉格散射效應(yīng)，光提取效率提升了100%以上。在這些因素的綜合作用下，納米柱深紫外LED的輸出光功率和外量子效率提升了2.5倍。
閆建昌是國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者，中科潞安紫外光電科技有限公司副總經(jīng)理，中科潞安半導(dǎo)體技術(shù)研究院副院長(zhǎng)，CASA第三代半導(dǎo)體卓越創(chuàng)新青年，中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)會(huì)員，北京市科技新星計(jì)劃入選者，山西省“三晉英才”支持計(jì)劃高端領(lǐng)軍人才。清華大學(xué)電子工程系學(xué)士學(xué)位，中科院半導(dǎo)體所博士，2015-2016年度法國(guó)巴黎第十一大學(xué)訪問學(xué)者。長(zhǎng)期從事氮化物半導(dǎo)體材料和器件研究，尤其專注于氮化鎵半導(dǎo)體紫外發(fā)光二極管（UV LED）領(lǐng)域十余年，負(fù)責(zé)國(guó)家863計(jì)劃、自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研任務(wù)，取得了具有國(guó)際影響力的研究成果。獲2012年度北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2015年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
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