UV LED 的输出功率超过 1 W

最大限度地减少缺陷使硅基 GaN LED 的输出功率突破了原有记录

Lattice Power 公司和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 (SINANO) 的研究人员宣称已经创造了硅基 AlGaN LED 输出功率的新记录。他们研制的芯片尺寸为 1.1 mm x 1.1 mm 的 385 nm 器件可在 1 A 电流条件下提供 1766 mW 的输出功率。

在开发这些器件时所获得的深入理解可用来提升 Lattice Power 涵盖 365 nm至 405 nm 波长范围的 UVA LED 的性能。这些器件用于 LED 光固化，而且可与荧光粉搭配使用，以此方法制作的照明产品所提供的光谱范围要比基于蓝光 LED 与荧光粉之传统组合的其他同类产品更宽。

这支研究团队的发言人、来自 SINANO 的孙钱认为：他们所运用的方法的优势之一是能够减低高功率 UV LED 的生产成本，这得益于采用了大直径的硅衬底。

“其次，可采用湿法蚀刻容易地去除硅衬底，而由此对 UV LED 芯片造成的损坏微乎其微。”

当使用更常见的替代衬底材料蓝宝石时，需要运用激光剥离技术以制作高功率垂直芯片。据孙钱说，这种做法是不理想的，因为它会引起与漏电和可靠性相关的问题。

由于需要生长 AlGaN 层，因此不管使用什么衬底，深紫外光 LED 的制造都是具有挑战性的。晶圆会翘曲、弯曲、甚至出现裂纹，原因是衬底和 AlGaN 的晶格常数和热膨胀系数存在差异。使问题更为复杂的是，这种三元复合体中铝的含量越高，晶体质量的劣化情况就越严重。这是一个重大的障碍，因为相比于蓝光 LED，穿透位错对 UV LED 的内部量子效率的影响要大得多。

为了解决所有这些问题，孙钱和同事们利用一个可引入压缩应变的 AlN/AlGaN 多层结构的缓冲层从下面对器件给予支撑。生长过程从一个 300 nm 厚的 AlN 层开始，接着是 400 nm 厚的Al_0.65Ga_0.35N 层、600 nm 厚的 Al_0.17Ga_0.83N 层、700 nm 厚的 Al_0.10Ga_0.90N 层，最后是一个厚的 Al_0.05Ga_0.95N 层。

通过增添压缩应变，该结构不仅补偿了在冷却期间出现的拉伸应变，而且还导致了穿透位错的倾斜和消失。这些缺陷的滤除可在用一台横截面透射电子显微镜获得的图像中看到。

在缓冲层结构的顶部以 InGaN/AlGaN 超晶格的形式添加了一个应变消除层。它在发光区域中形核和扩大 V 形凹坑，并通过增加输出功率和降低正向电压来改善器件性能。

沉积在超晶格和缓冲层结构顶部的是器件结构，其具有一个 5 周期多量子阱。接着，通过把一个金属叠层（包括一个粘结层和一个以银为基本成分的层，其中后者充当一个 p 型电极和反射镜）添加到外延片、然后再把该结构附于一个负责提供后续机械支撑的导电硅载体上，形成了具有垂直薄膜架构的 UVA LED。化学蚀刻去除了衬底，在用氢氧化钾进行蚀刻之前对 n 型 AlGaN 进行粗糙化处理，从而实现了取光效率的提升。

当以 500 mA 电流驱动并采用 3.63 V 正向电压时，封装型 LED 可在 53% 的外部量子效率 (EQE) 下产生 960 mW 的功率。提高电压至 4.1 V 将把驱动电流和输出功率分别增至 1 A 和 1766 mW，但是 EQE 下降至 44%。

这些 UVA LED 具有 0.76 Ω 的微分串联电阻，略高于最好的高功率蓝光 LED。为了修整该电阻，孙钱和同事们将优化硅掺杂和镁掺杂。

他们的另一个目标是开发短波长器件，比如那些在 UVB 和 UVC 波段中发光的器件。孙钱认为：“所有这些辛勤的工作将极大地降低 UV 光发射器的成本。”

当以 1 A 电流驱动时，在 385 nm 波长发光的 UVA LED 可在 44% 的外部量子效率下产生高于 1.75 W 的输出功率。

参考文献

Z. Li et al. Appl. Phys. Express 10 072101 (2017)