深紫外LED制备和应用技术研究

成果编号：13775

价格：面议

完成单位：中国科学院半导体研究所

单位类别：中国科学院系统院所

完成时间：2013年

成熟程度：试生产阶段

服务产业领域：电子信息

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发布人：王军喜离线

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紫外LED在生化探测、杀菌消毒、聚合物固化、非视距通讯等领域有重要应用价值，并具有小巧便携、绿色环保、波长易调谐、电压低、功耗小等优点，代表着未来紫外光源的发展方向。深紫外LED研制中的核心技术难点在于高质量高Al组分AlGaN材料的外延制备和掺杂技术。本课题针对难点，重点开展了高Al组分Al(Ga)N材料的外延生长和掺杂研究。系统研究了“两步法”生长AlN模板的高温MOCVD外延条件，创新研究了纳米图形蓝宝石衬底(NPSS)外延AlN材料，获得了高质量的AlN模板，原子力显微镜（AFM）结果显示表面平均粗糙度仅有约0.15nm，X射线衍射（XRD）结果显示（002）面和（102）双晶衍射摇摆曲线半高宽（FWHM）分别只有58.89 arc sec和372 arc sec。在此基础上，研究优化了AlGaN的外延生长工艺，获得了高质量的Al组分超过60%的AlGaN材料。

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成果介绍

科技计划：

成果形式：新技术

合作方式：技术开发、技术入股

参与活动：

专利情况：正在申请 ,其中:发明专利 22 项
已授权专利,其中:发明专利 1 项
专利号:
201310057268.4

成果简介

综合介绍

创新要点

本成果首次通过纳米图形外延技术，在蓝宝石衬底上MOCVD外延制备出高质量的AlN外延材料，AFM表面粗糙度为0.15 nn，XRD摇摆曲线002半高宽为48.28 arcsecond， (102)半高宽为357.5 arcsecond，相关指标接近美国、日本的国际领先水平；针对AlGaN材料的p型掺杂国际难题，提出一种3D极化诱导掺杂的创新解决方案，首次理论上提出并实验验证了，通过控制金属极性面p-AlGaN材料的组分渐变，可以利用氮化物材料的极化效应，提高p-AlGaN材料中Mg的激活效率，并获得了空穴浓度达到2.6E18cm-3的p型金属极性AlGaN材料；研制出国内首支毫瓦级深紫外LED器件，器件峰值发光波长小于300 nm，并通过工艺技术优化将器件性能提升到在20 mA电流下输出功率超过3 mW，达到了国内领先，国际先进水平。

技术指标

1）AlN材料厚度≥1 μm，AFM表面粗糙度≤0.2 nm，XRD摇摆曲线（002）半高宽≤60 arcsecond，（102）摇摆曲线半高宽≤400 arcsecond； 2）AlGaN材料厚度≥1μm，Al组分≥60%，AFM表面粗糙度≤0.2 nm，XRD摇摆曲线（002）半高宽≤120 arcsecond，（102）摇摆曲线半高宽≤400 arcsecond； 3）Al组分≥50%的n-AlGaN材料，电子浓度≥5×1017 cm-3；Al组分≥30%的p-AlGaN材料，空穴浓度≥3×1017 cm-3； 4）Al组分≥40%的AlGaN多量子阱（MQWs）内量子效率≥30%； 5）深紫外LED电注入效率提高≥30%，光提取效率提高≥30%； 6）研制出波长300 nm以下的深紫外LED器件，在20 mA驱动电流下器件功率> 4 mW； 7）波长300 nm以下的深紫外LED器件，室温下结温≤50℃，热阻≤30K/W 制备出具有杀菌消毒作用的深紫外LED模块和应用产品，实现杀菌率超过95%。

其他说明

研究了AlGaN材料的n型delta掺杂技术，结合外延工艺，实现Al组分超过50%的AlGaN材料中电子浓度超过1E+18 cm^-3；结合第一性原理计算，研究了Mg-Si共掺杂、超晶格结构等p型掺杂技术，实现Al组分≥30%的p-AlGaN材料中空穴浓度达到了3.7E+17cm^-3。深入研究了AlGaN基多量子阱（MQWs）结构的发光机制，开展了高效MQWs的结构设计和外延，获得了内量子效率（IQE）高达43%的AlGaN基MQWs（Al组分超过40%）；通过新型电子阻挡层（EBL）结构，有效提升了紫外LED的载流子限制和量子效率，实现了电注入效率提升超过30%。开展了深紫外LED的芯片器件工艺研究，包括台面刻蚀、电极蒸镀、倒装焊、粗化等；在紫外LED的封装工艺研究中，对比了不同填充封装方式对于紫外LED性能的影响，通过粗化和封装技术结合实现了紫外LED器件光提取效率提升超过50%，深紫外LED器件最小热阻达到9K/W，室温下结温仅有38.4℃。

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