南京大学刘斌教授Adv. Mater.: 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

【引言】

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族氮化物光电子器件取得了巨大的进步，尤其是日本三位科学家发明了高效节能的固态照明蓝色发光二极管（LED）。如今，它已带来了数百亿美元LED照明市场。近年来，micro-LED等新兴技术在下一代高性能显示器和智能可穿戴消费电子产品的应用中显示出巨大潜力。另一方面，由于AlN和GaN组成的氮化铝镓（AlGaN）三元材料具有优异的光电性能，，紫外LED和光电探测器件对于环境监测，医学诊断等新应用越来越重要。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。目前，这一领域仍然存在一些困难和挑战，例如AlGaN与异质衬底之间的晶格失配较大，用于高Al成分的AlGaN合金中Al的掺入效率低，以及高导电性p型AlGaN的困难，限制了III族氮化物的紫外光电子器件的性能改进提升。

【成果简介】

近日，南京大学刘斌教授在这篇研究进展综述中总结了南京大学宽禁带半导体研究团队在III族氮化物光电子器件研发方面的最新进展。第一个具有代表性的成果是演示了采用紫外纳米压印（纳米压印光刻（NIL））图案化技术制造的高性能混合型微孔/纳米孔可见光LED。InGaN/GaN MQW和CdSe/ZnS核/壳QD之间的非辐射共振能量转移（NRET）颜色转换介质可产生绿色/红色发射的高颜色转换效率（CCE），和显色指数（CRI），并应用与Micro-LED器件制备。其次，利用表面等离子体激元通过受激辐射的辐射放大物理机制，采用混合金属氧化物半导体（MOS）结构设计和制造了低阈值的等离子体纳米线(NW)激光器。InGaN/GaN或AlGaN/GaN NW是通过NIL和自上而下的刻蚀工艺制备的，获得从绿光至深紫外UV-B的激光发射。第三，报告了具有独立吸收和倍增（SAM）设计结构的高性能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，泄漏电流显着降低，并且增益达到了创纪录的1.6×10⁵。最后，论文对基于III族氮化物的光电子器件的应用前景作了总结性的展望。该成果以题为“Hybrid Light Emitters and UV Solar-Blind Avalanche Photodiodes based on III-Nitride Semiconductors”最近发表在Adv. Mater.上。

【图文导读】

Figure 1.InGaN/GaN MQW表征

a）具有纳米线(NW)阵列的2英寸紫/蓝/绿InGaN/GaN MQW晶片的外观

bc）分别具有顶视图和横截面图的绿色InGaN/GaN椭圆形NW阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像

de）俯视的InGaN/GaN圆纳米线和纳米光栅的SEM图像

Figure 2.LED性能表征

a）混合量子点集成的纳米孔LED的结构示意图

b）高度有序的纳米孔阵列的俯视SEM图像

c）填充有量子点的纳米孔的横截面SEM图像

d）CdSe/ZnS核/壳量子点的透射电子显微镜图像和插图为量子点高分辨率图像

Figure 3.LED光谱表征

ab）集成了绿/橙/红色QD混合紫/蓝纳米孔LED的EL光谱

c）发射不同颜色的量子点(QD)集成Micro-LED的外观，Micro

d）白光发射混合LED的电致发光(EL)光谱

Figure 4.器件的结构与表征

a）混合金属氧化物半导体（MOS）结构的等离子体纳米线(NW)激光器的示意图

b）其FDTD电磁场分布模拟

c）在不同的光泵浦功率密度下的PL激射光谱图。

Figure 5.AlGaN APD的示意图

ab）常规结构和极化增强结构的紫外日盲雪崩光电二极管(APD)探测器

c）两种器件结构的能带图

d）在黑暗和光照条件下，极化增强型和传统APD结构的反偏I-V曲线

e）极化增强型和传统APD结构的倍增增益曲线

【总结】

在过去的二十年， III族氮化物半导体由于其优异和不可替代的特性，在可见-紫外光电子器件领域已经取得了巨大成就。当前，新兴的基于氮化镓（GaN）的微发光二极管（LED）技术可用于高分辨率显示，而UV光检测则可用于环境监测，健康和医疗应用，均备受关注。在这项工作中，我们展示了通过光刻和纳米压印图案技术将II-VI量子点集成在一起的微型/纳米混合LED，并实现了高性能的红色/绿色/蓝色和白色发射微纳器件。其次，设计金属氧化物半导体结构的等离激元纳米激光器，获得了从可见光至深紫外(Deep-UV)可调光谱范围的低激发阈值的情况下产生有效的激光。此外，通过设计独特的吸收和倍增结构，制备获得了性能大幅改善的AlGaN基紫外日盲光电二极管（APD）探测器，这些APD达到了1.6×10⁵的创纪录的增益。以上纳/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族氮化物基 光电子器件在未来的创新应用。

文献链接：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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