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向深紫外進軍的半導體光源

 
半導體光源前沿已經移到紫外區。開發者們正在對用於藍紫光激光器的寬帶III-V族氮化镓化合物進行進一步的研究,試圖通過增加鋁來增加它的禁帶寬度,從而得到更短的波長。從理論上講,如果作用層是氮化鋁的話,這個材料就可發射短至205nm波長的光。短於240nm波長的電致發光也已經觀察到了。但是,國防部先進研究計劃暑(DARPA; 華盛頓特區)半導體紫外光源計劃經理John Carrano說:實際的镓鋁氮(GaAlN)器件,發射波長是受到限製的,LED波長限製在280nm,二極管激光器的波長限製在370nm。



1.氮化物半導體的帶寬、晶格常數及相應波長。一般來說, 由較輕元素組成的晶體,晶格常數較小,禁帶寬度較大。砷化镓的晶格常數為0.565nm。

有報道說:更短的波長已從實驗室的器件中得到。Carrano但是誰會去關心那些隻能發射納瓦量級的東西。我隻考慮能夠實用的器件,它的輸出功率應該有毫瓦量級,而且,至少能工作幾百小時。這樣的功率和壽命水平與DARPA想用於生物傳感器、水淨化、殺菌和無線大氣通信的器件水平比較接近。Carrano認為,這樣的要求是可以做得到的,無論是LED,還是二極管激光器,都可以將波長向稍微再短一些的方向推進。

紫外半導體材料

用於短波長光源的原料是GaxAl1-xN。由圖1可見:從純GaN到純AlN,帶寬從3.4增加到6.2電子伏特。所以,增加鋁濃度,就會使波長變短。但是,當帶寬和鋁濃度增加時,LED和二極管激光器的製作,就會遇到許多問題。

增加帶寬,就會有更多的非輻射機構,消耗更多的由載流子複合所釋放出來的能量,從而導致功率轉換效率的下降,使散熱更加問題。在鋁濃度較高時,用來將光限製在量子阱內的折射率差變小了,從而增加了光的泄露。此外,非輻射機構還增加了長波輻射分量,這種輻射可能會使以熒光為基礎的傳感器受到幹擾。

氮化镓是容易產生內部缺陷的,這些缺陷加速了器件退化和失效。雖然開發者們已經在這方麵取得了很大進步, 但是缺陷仍然會使器件的電學特性退化,並最終導致器件完全破壞。當鋁濃度增加時,要製作好的電接觸變得更加困難,p-AlGaN的阻抗隨鋁濃度增加而增大。當接觸電阻和體電阻都增加時,通過二極管的壓降也增加,從而導致功率轉換效率下降,內部熱量增加,最終導致壽命變短。

添加銦,便可產生四元係化合物AlGaInN,這樣就多了一個自由度,可對帶寬和晶格常數分別進行調整。銦還對生長過程有利, 它引起的某些不均勻性,實際上對提供輻射效率有利。銦在發展藍光二極管激光器時起了很重要的作用,但是它減少了禁帶寬度,因此,它的使用增加了獲得更短波長的困難。

紫外LED的誘惑

實際上,發光二極管與二極管激光器相比,有許多優勢。第一,它們比較簡單。不需要在內部精心製作微細結構,以用來限製光和形成諧振腔。第二,LED的可靠性較高,因為它們的驅動電流較小,因而,內部電流密度較小、功耗小、內部產生的熱量也較小。從本質上說:短波長的運轉主要受器件的退化所限製,因此,退化越慢,LED就越可靠,因而,允許LED在比二極管激光器短得多的波長運轉。

幸運的是, 在大多數半導體光源應用領域,激光輻射的窄線寬和高度方向性,都不是特別必要的。DARPA強調需要毫瓦級功率、室溫連續(CW)運轉和合理壽命。到目前為止,發射波長近280nm的毫瓦級LED,在室溫的運轉壽命已達幾百小時。這個波長是個關鍵目標,因為它處在太陽盲帶譜的邊緣。大氣吸收,阻止更短波長的紫外輻射到達地球,從而消除了日光背景的影響。

Carrano
對改善LED效率比對獲得更短的紫外波長更關心。到目前為止,在280nm波段,最好的功率轉換效率隻有1%2%。在實驗室裏,這樣的效率也許還能接受,但在野外,這是遠遠不夠的。在野外,器件通常由電池供電,在野外,它們被燒壞了,就很難更換。因此,DARPA的目標是:轉換效率要達到10%。較高的效率也有助於延長LED本身的壽命,這是在野外工作時人們關心的另一個問題。DARPA希望壽命至少能達到10,000小時,這樣,用一整年也不需要修理。

一個目標是製作一係列廉價的電池供電的生物傳感器,這種傳感器能分布在野外,為可能存在的生物製劑提供預警。在活細胞中發現的某些化合物,在紫外光的激勵下,會產生很強的熒光。盡管廉價的LED生物傳感器不能識別生物製劑的具體種類,但它們可以構成預警係統,讓部隊能夠采取保護性措施。



2.空氣分子散射深紫外光,從而使無線光通信成為可能。高空大氣吸收使信號隨距離的增大而減小,從而使通信範圍受到了限製,但也使遠距離的竊聽不可能進行。

到目前為止,毫瓦級280nm LED的壽命為幾百小時。波長較長時,壽命也較長。在近340nm波長,壽命已達到數千小時,DARPA需要的是更短波長,因為它們可能帶來新的應用。短於280nm的波長可能用於短距離保密通信,這種通信不要求可以看見的線。大氣產生很強的瑞利散射可將信號散射到很廣的角度,而大氣吸收則限製了傳輸距離,並消除了陽光背景(見圖2)。
Carrano
說:實際上,要得到260-265nm的光,不存在任何難以克服的困難。這些波長可對活細胞中的DNA產生重要影響:在兩個DNA串之間形成連接,阻止它們複製,最終將細胞殺死。 DARPA想象的應用就是:用紫外光來殺滅水中或物體表麵的細菌。現在,這項工作要求峰值波長為254nm的水銀燈。

LED
的實驗結果

在波士頓材料研究協會秋季會議期間(Nov. 29-Dec. 02, 2004)舉行的氮化物半導體討論會上,有一項關於紫外LED的報道令人難忘。



3 深紫外LED是這樣製造的:在藍寶石襯底上,沉積AlN緩衝層和AlN/AlGaN短周期超晶格結構。從AlGaN作用層的多量子阱中產生的輻射通過襯底發射出來。在p+-GaNn+-AlGaN層上製作歐姆接觸。

南卡羅來納大學的Vinod Adivarahan描述了在AlN/AlGaN超晶格上製作的多量子阱LED(圖3)。在280nm波長脈衝運轉時,當工作電流為20mA時,他們獲得了1.1mW的輸出功率;當工作電流增至200mA時,輸出功率增加到了11mW。在265nm波長脈衝運轉時,工作電流為20mA時,獲得了0.4mW的輸出功率。但Adivarahan說,這是有史以來在這樣短的波長觀察到的最好結果,因為,在這樣短的波長運轉,困難要大得多。將工作電流增加到200mA,脈衝輸出功率可增加到6.5mW;當工作電流增加到350mA,峰值功率可達10.5 mW。

在較長的波長,輸出功率要高得多。耶魯大學(New Haven, CT)Jung Han將輻射340nmAlInGaN LED與輻射280nmAlGaN LED進行了比較。當脈衝電流為1A時,大麵積340nm LED輸出79mW,相應的功率轉換效率為2.2%。在280nm LED中,必須將銦全部消除,將鋁的濃度提高。當AlGaN LED800mA脈衝工作時,輸出功率為8.5mW,相應的功率轉換效率僅為0.24%。
Sandia
國家實驗室(Albuquerque, NM)Mary Crawford報告:她從含79%鋁的AlGaN層(未包裝的片子)中,獲得了237nm波長的電致發光。但是,她稱這個實驗隻是概念性的演示。其它的人也觀察到了比265nm還要短的波長,但功率遠遠低於實際需求。Sandia小組在稍長一點的波長做得要好得多,他們報道的LED,276nm波長,連續輸出功率已超過1mW;在297nm波長,連續輸出功率已達2mW。
壽命是短波長LED的關鍵問題,盡管這方麵的數據報導很少。南卡羅來納大學的Ashay Chitnis報導:他們對包裝好的280nmLED進行了壽命試驗,在20mA的半功率點工作時,壽命可超過100小時。 Chitnis埋怨頂部p-型材料金屬化層的退化,可能是使器件夭折的主要原因。
開發者們指出了一些共同的問題。P-材料的高阻抗和電連觸導致高壓降和熱散困難;螺旋形位錯是引起器件各層缺陷的罪魁禍首;光學限製很差;過多的光在比LED峰值波長還要長的波長發射,成為熒光應用中的一個潛在問題;AlGaN承受著高位錯密度的壓力;純AlN265nm波長不透明,用它作襯底是不適合的;等等。但是,人們在提高短波長LED的輸出功率和壽命方麵,正在穩步前進。

紫外激光器問題

Carrano
說:紫外激光二極管是一個比LED“還要難做的器件,更複雜的異質結結構和更高的電流密度對半導體材料提出了更高的要求。

400nm
波長的紫光二極管已有商品出售,它是建立在三元係化合物銦镓砷基礎上的,但如果不加鋁,就不可能讓其將波長縮短到360nm。但添加鋁,會影響器件的壽命。向更短波長發展,還會在光子限製、非輻射過程、維持粒子數反轉等方麵帶來新的難題。

所有這些因素都使激光二極管的室溫運轉波長不得不比LED波長長得多。對毫瓦級激光器來說,最短波長在370nm,壽命為數百小時。在CLEO 2004(舊金山,加州)會議上,Cree(Durham, NC)報導:他們研製的激光二極管,可在348nm波長連續運轉和在343nm波長脈衝運轉,但輸出功率和運轉壽命都非常低。DARPA希望激光器的運轉壽命,在室溫,能達到數千小時。

Palo Alto
研究中心(PARC; Palo Alto, CA)一直努力工作,希望二極管激光器能在320nm波長運轉。現在,他們已經演示了光學泵浦的激光異質結,可在308nm波長工作。他們正在改善它們的電學性質。PARCNoble Johnson認為:他們小組離獲得電驅動的320nm激光器已經不遠了,但還不能預言何時才能使它們真正受激。他補充說:現在,困難是如何才能將閾值電壓、閾值電流降到合理水平,我們正在穩步前進。

對半導體激光器的主要興趣在於:它能用於高端生物傳感器,能比LED的預警係統提供更精確的信息。激光是可以調諧的,可以將其波長調諧到與峰值吸收波長匹配。這樣,便可用激光器傳感器來監視某種特殊的製劑,這種特殊的製劑在該波長發射的熒光最強。這些傳感器可用來保護重要目標,如重要建築或軍事設施。對可能已經遭受生物製劑襲擊的人進行診斷,確定特定病毒,也許還需要采用其它生物技術和其它實驗室條件,這大約需要幾個小時。

展望

半導體紫外光源的發展,是在Shuji NakamuraInGaN製造藍光和紫光二極管激光器實現突破的基礎上進行的。商品開發者們已經發現:400nm波長是最佳的發光波長,也許這就是新一代光存儲裝置的基礎。

推動半導體光源向更短波長發展是一場艱苦的戰鬥, 至少在近期,LED比激光器更實用。不過,大多數的應用是不需要激光器的,而且,從基礎材料到器件結構領域,都在不斷進步。半導體光源正在向深紫外進軍。
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點擊次數:  更新時間:2011-04-11 09:05:30  【打印此頁】  【關閉
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