AlGaN深紫外发光二极管高效率器件研制及光子输运行为研究新进展

近日，广东工业大学、河北工业大学楚春双副教授、张勇辉教授、张紫辉教授课题组联合中国科学院半导体研究所刘乃鑫副研究员、闫建昌研究员课题组，在提升AlGaN基深紫外发光二极管（DUV LED）光提取效率、提高空穴注入效率、降低金属/p型半导体界面势垒方面取得重要突破。

研究团队创新性地提出：（1）在切割道与倾斜侧壁同步引入散射纳米结构，有效克服了多层界面间的全反射限制，显著提升了器件的光输出功率与电光转换效率；（2）在p型空穴注入层中引入“光子循环诱导载流子再生”结构，直接提高空穴注入效率的同时，有效地降低金属/半导体界面势垒。相关研究成果分别以“Enhancing light extraction for AlGaN-based deep-ultraviolet LEDs using scattering nanostructures on both scribe line and inclined sidewall”和“Diffusing the photon-assisted regenerated holes to increase the WPE for 259 nm AlGaN-based DUV LEDs with three-dimensional n-ZnO/p-AlGaN photon-sensitive micro-structure arrays”为题，发表于光学和应用物理学领域知名期刊《Optics and Laser Technology》和《Applied Physics Letters》。

研究团队通过仿真分析发现，在深紫外LED中，无论是TE偏振光还是TM偏振光，其在各结构层中的限制比例存在显著差异，其中大部分光被限制在n-AlGaN层中，而传统的图形化衬底难以有效提取这部分光。

图1 通过FDTD模拟得到的DUV LED各层光限制比例

针对这一难题，研究团队利用自组装SiO₂纳米球模板技术，在芯片切割道区域和相邻的倾斜侧壁区域成功制备出n-AlGaN散射纳米结构。实验结果表明，该结构在未影响其他光电特性的前提下，使深紫外LED在100 mA注入电流下的光输出功率提升13.01%，电光转换效率提升12.92%。

 图2 (a) DUV LED的顶视SEM图像；(b) 纳米结构放大视图，插图为更高放大倍数下切割道上的纳米结构；(c) 切割道边缘的侧视SEM图像；(d) 器件R与器件A的结构示意图，以及纳米结构的(d)直径、(e)高度和(f)周期统计分布直方图

图3 (a) 器件R与器件A的电流-电压特性曲线，插图为100 mA注入电流下两种DUV-LED的电致发光光谱；(b) 两种DUV-LED的光输出功率与电光转换效率对比；(c) 20 mA注入电流下两种DUV-LED的发光照片

更值得关注的是，研究揭示了光提取效率与切割道尺寸的协同关系。 FDTD模拟结果表明，在常规工艺下制备的深紫外LED中，增大切割道宽度确实能在一定程度上提升光提取效率，但这种提升效果有限，最终会趋于稳定。而在集成了散射纳米结构的器件中，光提取效率随着切割道宽度的增加呈现持续提升的趋势。这一发现为高功率深紫外LED的优化设计提供了重要依据。

图4 (a) 器件R、A和B的TE偏振光提取效率随切割道宽度比例的变化关系；(b)-(d) 分别为器件R、B和A在TE偏振光下的XY截面电场分布；(e) 提取光强度随位置的变化关系

该技术具有工艺简单、成本低、兼容现有产线等优势，尤其适用于切割道面积占比较高的功率型深紫外LED和Micro-LED，具备良好的产业化应用前景。该研究为高性能深紫外LED的制备提供了一种新颖且可行的技术路径。

针对p-型区域没有逃逸出来的深紫外光子，研究团队为实现光-电之间的能量连续转换，提出了一种反向偏置的三维n-ZnO/p-AlGaN微结构阵列，如图5所示。该设计一方面抑制了p-AlGaN层表面的空穴耗尽效应，从而降低p型接触电阻；另一方面显著增强了向有源区的空穴注入效率。实验结果表明，在45 mA注入电流下，所提出器件的正向工作电压降低25%，光输出功率提升47%，最终使259 nm AlGaN基深紫外LED的电光转换效率（WPE）提升46%，如图6所示。

图5 器件R与器件A的制备工艺流程示意图：（a）外延生长；（b）ICP刻蚀形成台面；（c）器件R沉积SiO₂层、（d）器件R沉积n型电极和（e） p型电极；（f）器件A进行ICP刻蚀形成微孔；（g）ZnO层填充；（h）器件A沉积SiO₂层、（i）器件A沉积n型电极和（j）p型电极

图6 器件A与器件R在（a）半对数坐标和（b）线性坐标下的电流–电压特性曲线；（c）器件A与器件R的归一化WPE 

这主要得益于图7（a）和（b）中实现的光子-自由载流子能量转换物理过程：光敏n-ZnO/p-AlGaN结将光子转化为电子-空穴对，其中再生空穴被重新注入量子阱中，而电子则经n-ZnO区导出器件。图7（c）所示的一维n-ZnO/p-AlGaN/n-ZnO能带图表明：n-ZnO/p-AlGaN界面处的内建电场使横向能带弯曲程度大幅增加，不仅有利于空穴向p型层输运，也抑制了p-AlGaN表面的空穴耗尽效应。图7（d）和（e）分别展示了n-ZnO微柱下方及两微柱之间的纵向能带分布。图7（d）表明：n-ZnO/p-AlGaN结形成的电场具有“空穴加速”作用，在促进空穴向p型层输运的同时，还可以直接将空穴注入到量子阱中。由此可见，三维n-ZnO/p-AlGaN结构的电荷耦合效应可以直接促进再生空穴注入到多量子阱区域，也可以促使空穴补偿p型层表明的空穴耗尽效应，从而提升深紫外LED的发光效率并降低器件的接触电阻。

图7（a） 器件A的三维结构示意图；（b）载流子再生及输运过程；在45 mA注入电流下（c）n-ZnO/p-AlGaN/n-ZnO结构的横切一维能带图；（d）n-ZnO/p-AlGaN/量子阱异质结区与（e）p-GaN/p-AlGaN/量子阱异质结区的纵切一维能带图 

河北工业大学贾越栋硕士为论文《Enhancing light extraction for AlGaN-based deep-ultraviolet LEDs using scattering nanostructures on both scribe line and inclined sidewall》第一作者，河北工业大学张勇辉教授、广东工业大学张紫辉教授和中国科学院半导体研究所刘乃鑫副研究员为共同通讯作者。合作单位还包括山西大学、中国科学院半导体研究所、山西中科潞安紫外光电科技有限公司。

广东工业大学楚春双副教授为论文《Diffusing the photon-assisted regenerated holes to increase the WPE for 259 nm AlGaN-based DUV LEDs with three-dimensional n-ZnO/p-AlGaN photon-sensitive micro-structure arrays》第一作者，广东工业大学张紫辉教授为通讯作者。合作单位还包括河北工业大学张勇辉教授，中国科学院半导体研究所刘乃鑫副研究员、闫建昌研究员团队等。

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFB36051002023YFB3609703）、国家自然科学基金（62275073）、山西省科技合作交流项目(202404041101049)及河北省自然科学基金（F2025202016）的支持。