南京大學劉斌教授Adv. Mater.: 基于III型氮化物半導體的混合結構光發射器和紫外日盲光電二極管探測器

【引言】

III族氮化物是具有直接帶隙的獨特半導體材料系統，覆蓋從深紫外（DUV）到近紅外的寬光譜范圍。在過去的幾十年中，基于III族氮化物光電子器件取得了巨大的進步，尤其是日本三位科學家發明了高效節能的固態照明藍色發光二極管（LED）。如今，它已帶來了數百億美元LED照明市場。近年來，micro-LED等新興技術在下一代高性能顯示器和智能可穿戴消費電子產品的應用中顯示出巨大潛力。另一方面，由于AlN和GaN組成的氮化鋁鎵（AlGaN）三元材料具有優異的光電性能，，紫外LED和光電探測器件對于環境監測，醫學診斷等新應用越來越重要。AlGaN基紫外LED和高靈敏度的紫外光電檢測器引起了重點關注。目前，這一領域仍然存在一些困難和挑戰，例如AlGaN與異質襯底之間的晶格失配較大，用于高Al成分的AlGaN合金中Al的摻入效率低，以及高導電性p型AlGaN的困難，限制了III族氮化物的紫外光電子器件的性能改進提升。

【成果簡介】

近日，南京大學劉斌教授在這篇研究進展綜述中總結了南京大學寬禁帶半導體研究團隊在III族氮化物光電子器件研發方面的最新進展。第一個具有代表性的成果是演示了采用紫外納米壓印（納米壓印光刻（NIL））圖案化技術制造的高性能混合型微孔/納米孔可見光LED。InGaN/GaN MQW和CdSe/ZnS核/殼QD之間的非輻射共振能量轉移（NRET）顏色轉換介質可產生綠色/紅色發射的高顏色轉換效率（CCE），和顯色指數（CRI），并應用與Micro-LED器件制備。其次，利用表面等離子體激元通過受激輻射的輻射放大物理機制，采用混合金屬氧化物半導體（MOS）結構設計和制造了低閾值的等離子體納米線(NW)激光器。InGaN/GaN或AlGaN/GaN NW是通過NIL和自上而下的刻蝕工藝制備的，獲得從綠光至深紫外UV-B的激光發射。第三，報告了具有獨立吸收和倍增（SAM）設計結構的高性能AlGaN基日盲紫外雪崩光電二極管（APD）探測器。通過引入極化電場，泄漏電流顯著降低，并且增益達到了創紀錄的1.6×10⁵。最后，論文對基于III族氮化物的光電子器件的應用前景作了總結性的展望。該成果以題為“Hybrid Light Emitters and UV Solar-Blind Avalanche Photodiodes based on III-Nitride Semiconductors”最近發表在Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

Figure 1.InGaN/GaN MQW表征

a）具有納米線(NW)陣列的2英寸紫/藍/綠InGaN/GaN MQW晶片的外觀

bc）分別具有頂視圖和橫截面圖的綠色InGaN/GaN橢圓形NW陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

de）俯視的InGaN/GaN圓納米線和納米光柵的SEM圖像

Figure 2.LED性能表征

a）混合量子點集成的納米孔LED的結構示意圖

b）高度有序的納米孔陣列的俯視SEM圖像

c）填充有量子點的納米孔的橫截面SEM圖像

d）CdSe/ZnS核/殼量子點的透射電子顯微鏡圖像和插圖為量子點高分辨率圖像

Figure 3.LED光譜表征

ab）集成了綠/橙/紅色QD混合紫/藍納米孔LED的EL光譜

c）發射不同顏色的量子點(QD)集成Micro-LED的外觀，Micro

d）白光發射混合LED的電致發光(EL)光譜

Figure 4.器件的結構與表征

a）混合金屬氧化物半導體（MOS）結構的等離子體納米線(NW)激光器的示意圖

b）其FDTD電磁場分布模擬

c）在不同的光泵浦功率密度下的PL激射光譜圖。

Figure 5.AlGaN APD的示意圖

ab）常規結構和極化增強結構的紫外日盲雪崩光電二極管(APD)探測器

c）兩種器件結構的能帶圖

d）在黑暗和光照條件下，極化增強型和傳統APD結構的反偏I-V曲線

e）極化增強型和傳統APD結構的倍增增益曲線

【總結】

在過去的二十年， III族氮化物半導體由于其優異和不可替代的特性，在可見-紫外光電子器件領域已經取得了巨大成就。當前，新興的基于氮化鎵（GaN）的微發光二極管（LED）技術可用于高分辨率顯示，而UV光檢測則可用于環境監測，健康和醫療應用，均備受關注。在這項工作中，我們展示了通過光刻和納米壓印圖案技術將II-VI量子點集成在一起的微型/納米混合LED，并實現了高性能的紅色/綠色/藍色和白色發射微納器件。其次，設計金屬氧化物半導體結構的等離激元納米激光器，獲得了從可見光至深紫外(Deep-UV)可調光譜范圍的低激發閾值的情況下產生有效的激光。此外，通過設計獨特的吸收和倍增結構，制備獲得了性能大幅改善的AlGaN基紫外日盲光電二極管（APD）探測器，這些APD達到了1.6×10⁵的創紀錄的增益。以上納/微米混合LED，納米激光器和極化增強型APD的最新進展有望引領III族氮化物基 光電子器件在未來的創新應用。

文獻鏈接：Hybrid Light Emitters and UV Solar-Blind Avalanche Photodiodes based on III-Nitride Semiconductors. Adv. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adma.201904354.

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