Advanced Materials:基于III型氮化物半导体的混合结构光发射器和紫外日盲光电二极管探测器

III族氮化物是具有直接带隙的独特半导体材料系统,覆盖从深紫外(DUV)到近红外的宽光谱范围。在过去的几十年中,基于III族氮化物的光电子器件取得了巨大的进步。尤其是micro-LED等新兴技术在下一代信息显示和智能电子产品的应用中展示出巨大潜力。同时,基于氮化铝镓(AlGaN)三元材料优异的光电性能,由其构成的紫外LED和光电探测器件对环境监测,健康和医疗应用,医学诊断等新应用越来越重要,引起了人们极大的兴趣。但是,基于III族氮化物的光电器件仍然有很多基础问题有待解决。众所周知,白光LED普遍采用蓝光LED激发黄/红色荧光粉材料产生人造白光。传统荧光粉材料光转换效率低,响应速率慢,尺寸也难以缩小,因此,荧光粉材料不再适用于超小尺寸的Micro-LED器件。随着光源微小化后,边缘效应变得显著,边缘附件的损伤和缺陷会降低电-光转换效率。此外,AlGaN与异质衬底之间的晶格失配大,高Al成分的AlGaN合金中Al的掺入效率低, p型AlGaN掺杂难度高。如果能够通过优化器件设计并提高材料的晶体质量,这些器件的性能就可能得到提升。

南京大学刘斌教授所在的宽禁带半导体研究团队针对这些问题利用多种方法从多个角度进行了研究:

1、采用紫外纳米压印技术能够以较低成本得到高度有序的纳米尺度图形阵列,将CdSe/ZnS材料构成的核/壳量子点(QD)发光材料包埋于纳米孔中,制成了高性能混合型LED。研究发现在InGaN/GaN材料构成的多量子阱(MQW)和CdSe/ZnS核/壳量子点(QD)发光材料之间形成了一种非辐射共振能量转移(NRET)机制,有助于提高器件的颜色转换效率(CCE)和显色指数(CRI),并成功将其运用于Micro-LED中,其稳定性、响应速率、显色性能等方面均表现出了优异的性能。

2、高性能显示领域对光源颜色的纯度、强度和响应速度都有很高的要求。南京大学团队利用金属表面等离子体激元效应,通过共振放大受激辐射的机制,采用金属氧化物半导体(MOS)结构设计和制造了极低阈值的纳米线(NW)激光器,并获得了从绿光至深紫外UV-B的激光发射,为下一代超小光源的发展提供参考。

3、AlGaN基紫外LED和高灵敏度的紫外光电检测器引起了重点关注。南京大学团队采用具有独立吸收和倍增(SAM)的结构设计,研制出高性能AlGaN基日盲紫外雪崩光电二极管(APD)探测器。通过引入极化电场,优化了器件内载流子输运特性,使得APD器件的泄漏电流显著降低,并且增益达到了创纪录的1.6×105

南京大学研究团队所获得的纳/微米混合LED,纳米激光器和极化增强型APD的最新进展有望引领III族氮化物光电子器件等新兴技术将在照明显示、智能电子、环境监测、生命健康等领域展现巨大的应用潜力。 相关结果以题为“Hybrid Light Emitters and UV Solar-Blind Avalanche Photodiodes based on III-Nitride Semiconductors”发表在Advanced Materials上。