封面展示了傳統的深紫外發光二極管（DUV-LED）倒裝芯片的出光示意圖。器件工作時，空穴和電子分別從p型區和n型區進入到量子阱中復合發光，但只有很小一部分光可以從器件底部出射，最終實現有效的光提取。造成器件光效嚴重損耗的原因主要有三類，即量子阱偏振度低、界面全反射、以及器件頂部光吸收。深入剖析以上關鍵科學問題及相關技術創新，有助于精準突破光提取壁壘，實現高性能器件。

一、背景介紹

波長短于280 nm的深紫外（DUV）光源應用廣泛，覆蓋環境、食品、公共衛生、通訊等多個領域，成為人民生活和**建設的一部分。隨著《關于汞的水俁公約》的生效，以水銀燈為代表的含汞氣態紫外光源將，巨大的應用市場需求使得新一代深紫外光源的研發迫在眉睫。相比于傳統的氣態汞燈，鋁鎵氮（AlGaN）基深紫外發光二極管（DUV-LED）作為一種新型固態紫外光源，具有環保安全、小巧便攜、效率高、壽命長等突出優勢，因而受到廣泛關注，有望逐步替代汞燈進入主流市場。在迫切的需求帶動下，圍繞高性能AlGaN基DUV-LED的材料與器件研究也快速發展，成為當前III族氮化物寬禁帶半導體光電子領域的主要發展方向之一。

目前，DUV-LED的應用主要集中在殺菌消毒場景。用于表面快消的小尺寸紫外光源產品已逐步推向市場，且隨著芯片性能的不斷提升，應用于醫院、高校等大型公共場所的大功率表殺LED模組也被推出，并受到廣泛關注。需要指出的是，現階段DUV-LED商用芯片的電光轉換效率（WPE）普遍低于6%，遠不能滿足全面替代汞燈的需求，還限制了其向大規模水處理等重要領域的應用擴展和普及，而造成這一現狀的關鍵因素是器件極低的光提取效率（LEE）。深入剖析光提取難題有助于精準突破技術壁壘，實現高性能器件。下面將從光提取效率提升所面臨的三大關鍵科學技術問題出發，梳理相關技術創新和研究進展，以掌握本領域國際發展動態。

二、關鍵技術進展

（1）AlGaN量子阱偏振度調控及TM光提取

高Al組分AlGaN量子阱的橫磁模式（TM模式）發光占比較高，其面內傳播的特點導致在倒裝芯片中無法被有效提取。針對這一問題，國際目前一般采用兩種技術路線，即通過能帶調制提高量子阱的偏振度，或通過調控出光路徑提取TM偏振光。

偏振度調控的關鍵在于調制量子阱價帶子帶的相對能級位置。理論和實驗證明，對量子阱施加壓應力、或通過減小量子阱寬度來增強量子限域，均可實現AlGaN價帶子帶重排，從而增強垂直出射的TE模式的發光占比，如圖1（a）所示。此外，以量子限域為目的，研究人員提出可采用階梯阱實現子帶能級位置的調制，并從實驗上證明了該結構具有提升量子阱發光偏振度的效果。該方法可打破常規金屬有機源化學氣相沉積（MOCVD）方法難以實現超薄量子阱厚度精細控制的局限，降低高性能器件大規模制備的難度。

TM光提取方面，側壁反射鏡被證明是有效的技術手段。如圖1（b）所示，通過在量子阱側壁覆蓋對紫外光具有較高反射率的金屬Al，可將傳播至此處的光線反射到器件背面的出光錐內，提高TM偏振光的提取效率。值得注意的是，側壁反射鏡應用在微米尺度的LED中效果更為顯著，相較于傳統大尺寸芯片，微米LED有源區臺面周長與面積的比例更大，可降低光在長距離橫向傳播過程中的散射及吸收損耗，從而增加側壁出光的占比。

圖1（a）應力及量子限域對量子阱能帶和偏振度的調控示意圖；（b）基于側壁反射鏡的器件構型示意圖

（2）光出射界面全反射角的破解途徑

光的全反射發生在具有不同折射率的兩層材料界面處。就DUV-LED器件而言，該現象主要出現在AlGaN/AlN、AlN/藍寶石襯底、藍寶石襯底/空氣界面。因此，針對光的全反射問題，研究焦點在于如何破除以上三類界面的全反射角，以達到提升器件光提取效率的目的。

AlGaN/AlN和AlN/藍寶石襯底界面均屬于外延層內部界面，主要通過在外延過程中引入空氣孔隙或傾斜側壁來改變光的傳播路徑，如利用電化學腐蝕方法在n-AlGaN和底層材料之間制備如圖2（a）所示的納米多孔AlGaN模板（NPT）；或采用納米圖形化藍寶石襯底（NPSS），利用側向外延側壁改變光線出射方向，從而打破傳統平直界面全反射角對出光的限制。對于藍寶石襯底/空氣界面的全反射問題，通常在后續器件制備過程中進行襯底糙化處理，或采用半球形透鏡封裝的方法，引導光線進入出光錐。

以上界面處理的方法可以在一定程度上削弱全反射對光提取的影響，但要解決這一問題，的手段是采用AlN單晶同質襯底，或去除襯底制備薄膜倒裝芯片（TFFC），并以糙化的、或具有特定納米結構的外延層表面為出光面，從而增大光的出射角度，如圖2（b）所示。因此尋求無損襯底剝離技術、或開發基于AlN單晶襯底的器件研制工藝應是未來的努力方向。

圖2（a）納米多孔AlGaN模板（NPT）上n-AlGaN的截面SEM圖；（b）TFFC器件構型示意圖

（3）紫外光吸收的抑制途徑

DUV-LED通常采用p-GaN作為頂部接觸層，以滿足空穴供給和歐姆接觸的需求。但由于GaN的禁帶寬度小于深紫外光子能量，傳播至p型區的光幾乎被GaN和其上的金屬電極吸收。因此，解決光吸收問題應從高透明p型層及高反射p型電極制備兩方面入手。

高效摻雜的p-AlGaN制備是現階段解決外延層吸收問題的關鍵突破口，其的難點在于Mg摻雜劑在AlGaN中的激活能較高。針對這一問題，研究人員提出采用超晶格摻雜的方法，如圖3（a）所示，通過Al組分差異引起價帶及Mg雜質能級的周期性振蕩，使能量低于或接近費米能級的Mg受主易于被離化，從而降低激活能，提高空穴濃度。此外，極化誘導摻雜也被認為是提高Mg在p-AlGaN中離化率的另一種重要手段，如圖3（b）所示，通過采用Al組分漸增的N極性AlGaN放大極化效應，從而在其中引入負極化體電荷，誘導空穴從Mg受主能級向價帶離化，以此實現高空穴濃度的p-AlGaN。

高反射電極的制備需同時兼顧紫外光反射率和歐姆接觸特性。目前研究發現可滿足以上兩方面條件的一個選擇是單層金屬電極Rh。但鑒于貴金屬Rh的成本較高，研究人員提出了復合電極的技術路線，即薄金屬接觸層保證歐姆接觸和透光率、厚反射層金屬提高電極反射率，并基于該思路，開發了Ni/Mg、Ni/Au/Al、Rh/Al等多種高反射p型電極來提升器件光提取效率。后續關于復合電極的產業化應用，需進一步驗證薄接觸層在器件工作過程中的穩定性。

圖3（a）超晶格摻雜的原理；（b）極化誘導摻雜的作用機理

三、總結與展望

AlGaN基DUV-LED是III族氮化物寬禁帶半導體光電子領域的主要研究方向之一，在紫外光源市場需求巨大。但目前DUV-LED性能的進一步突破面臨光提取效率低下的瓶頸，其原因主要有：量子阱光學偏振度低，不利于倒裝芯片底部光提取；多層材料之間折射率差異大，導致大量紫外光因界面全反射被限制在芯片內部；器件頂部用于提供空穴的窄禁帶p-GaN層及其上的金屬電極對紫外光吸收強烈，造成嚴重的光損耗。本文從以上因素入手，總結了近年來該領域針對這三類問題所做的技術創新。其中，光學偏振方面，有源區微型化在提升TM偏振光提取效率方面具有很大潛力，有望成為未來器件發展的主流構型；光學反射方面，消除襯底與空氣界面的全反射是的解決方案，尋求無損剝離襯底技術及基于AlN單晶襯底的器件研制應是未來的努力方向。光學吸收方面，高透明高Al組分p-AlGaN及高反射p型電極研究應同步進行；同時，新的光學現象，如微納結構下的光/電子振蕩、耦合等也值得進一步探究。總的來看，DUV-LED的器件性能在過去二十年飛速發展，但要滿足規模商用芯片的需求還需光提取效率的進一步突破，這將依賴于新路線和新技術的進一步探索。

參考文獻： 中國光學期刊網

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