單片集成光電倍增轉(zhuǎn)換器的半導(dǎo)體深紫外發(fā)光二極管芯片

陳長(zhǎng)清、戴江南研發(fā)團(tuán)隊(duì)首次將p-i-n的探測(cè)結(jié)構(gòu)單片集成在深紫外LED芯片中，實(shí)現(xiàn)了載流子循環(huán)注入、光倍增放大功能，獲得了21.6%這一國(guó)際最高電光轉(zhuǎn)換效率值。

最新深紫外激光器

陳長(zhǎng)清、戴江南研發(fā)團(tuán)隊(duì)首次采用超薄AlN/GaN多量子阱作為深紫外激光器的有源區(qū)實(shí)現(xiàn)了室溫光激勵(lì)下峰值波長(zhǎng)為249 nm的橫電模（TE）受激發(fā)射現(xiàn)象，閾值功率密度為190kW/cm²。

長(zhǎng)期以來(lái)，半導(dǎo)體深紫外LED技術(shù)雖然被廣泛看好，但因其光電轉(zhuǎn)化效率始終無(wú)法突破10%，徘徊在商業(yè)化應(yīng)用初級(jí)階段難以前行， 其節(jié)能、環(huán)保、便攜、壽命長(zhǎng)，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)用光療、殺菌消毒、空氣凈化、保密通訊、氣體檢測(cè)的市場(chǎng)潛力無(wú)法釋放。

對(duì)此，日本理化學(xué)研究所H.Hirayama研究團(tuán)隊(duì)、德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)C.Kuhn研究團(tuán)隊(duì)曾陸續(xù)提出過(guò)以電子阻擋層抑制電子的泄漏、使用隧穿結(jié)來(lái)代替P型鋁鎵氮層提高空穴注入效率等多種方式，均未取得突破性進(jìn)展。

陳長(zhǎng)清、戴江南團(tuán)隊(duì)本次研發(fā)成果解決了這一國(guó)際難題

單片集成技術(shù)，是將兩個(gè)或兩個(gè)以上器件或功能結(jié)構(gòu)集成在單顆芯片中，并利用它們之間的相互作用提高設(shè)備的性能。本質(zhì)上，這種系統(tǒng)級(jí)的創(chuàng)新能構(gòu)建一個(gè)新的器件環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“片上系統(tǒng)”。陳長(zhǎng)清、戴江南科研團(tuán)隊(duì)提出了引入單片集成技術(shù)的新思路，將p-i-n氮化鎵探測(cè)結(jié)構(gòu)原位生長(zhǎng)在深紫外LED外延結(jié)構(gòu)上（MPC-DUV LED：Monolithic integration of deep ultraviolet LED），實(shí)現(xiàn)具有載流子循環(huán)注入、光倍增放大功能的芯片器件。

陳長(zhǎng)清、戴江南團(tuán)隊(duì)通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研和探索，創(chuàng)新性地將p-i-n的探測(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)用在深紫外LED芯片中，可以將量子阱有源區(qū)所發(fā)射的280 nm以下的深紫外光吸收，并轉(zhuǎn)換為新的電子空穴對(duì)。在外加高電壓的作用下，產(chǎn)生的電子空穴對(duì)發(fā)生分離，空穴載流子在電場(chǎng)作用下向量子阱方向漂移，并重新注入到量子阱中。

研究發(fā)現(xiàn)，在小電流下，傳統(tǒng)DUV LED芯片是電流驅(qū)動(dòng)的工作模式，其出光功率呈線性增長(zhǎng)。與之不同的是，MPC-DUV LED芯片是電壓驅(qū)動(dòng)的工作模式，其出光功率呈指數(shù)型增長(zhǎng)。

A點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的光譜積分得到其真實(shí)功率為33.0 μW。對(duì)于傳統(tǒng)DUV LED，其工作電壓和電流分別是4.88 V和1.87 mA，而相對(duì)的MPC-DUV LED其工作電壓和電流分別為19.5 V和7.85 μA，兩種DUV LED的電光轉(zhuǎn)換效率（出光功率/注入的電功率）分別為0.36%和21.6%，相差達(dá)60倍。

研究進(jìn)一步揭示了小電流下MPC-DUV LED芯片獲得超高轉(zhuǎn)換效率的機(jī)理。通過(guò)APSYS仿真計(jì)算，i-GaN層中的電場(chǎng)可達(dá)5×10⁶ V/cm，超過(guò)氮化鎵材料中蓋革模式的閾值電場(chǎng)（2.4~2.8×10⁶ V/cm），因而有極大的概率在耗盡層中發(fā)生碰撞電離，獲得幾十乃至上百倍的高增益，從而實(shí)現(xiàn)空穴載流子數(shù)量級(jí)的提高。

整個(gè)光電循環(huán)的過(guò)程中量子阱中電子和空穴發(fā)生復(fù)合發(fā)光，一部分深紫外光子從器件底部逃逸出去，另一部分光子進(jìn)入到MPC結(jié)構(gòu)中被吸收，高能量的深紫外光子激發(fā)氮化鎵材料產(chǎn)生相應(yīng)的電子空穴對(duì)，并在外加電壓的情況下發(fā)生分離，空穴在耗盡區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生碰撞電離，多次倍增后重新注入到量子阱中，與量子阱中原有的電子發(fā)生新的輻射復(fù)合，如此循環(huán)，最終大幅提高了載流子注入效率。