基于III型氮化物半导体的混合结构光发射器件和紫外日盲光电二极管探测器

来源：X一MOL资讯

原标题：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件和紫外日盲光电二极管探测器

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

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，中国科学工作者也做出了具有代表性的研究工作。近日，南京大学的刘斌教授在发表于Advanced Materials 的一篇研究进展中报道了南京大学宽禁带半导体研究团队在混合结构光发射器和紫外日盲光电二极管探测器两个方面的主要成果。

自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）并获得2014年诺贝尔物理学奖以来，已经产生了数百亿美元LED固态照明市场，目前正向超越照明与智能应用方向发展。近年来，Micro-LED（微米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。随着LED技术向微小尺度进一步发展，赋能高分辨率（PPI）显示、高速可见光通讯和智能可穿戴等领域的未来发展和市场规模。然而面对巨大的市场需求，III型氮化物LED仍然有很多基础问题有待解决。众所周知，白光LED普遍采用蓝光LED激发黄/红色荧光粉混合产生白光。然而，传统荧光粉材料光转换效率低，响应速率慢，并且尺寸难以进一步缩小，因此，不再适用于需要超小尺寸Micro-LED器件的高分辨率显示领域。另一方面，显示光源微小化后，边缘效应显著增加，由芯片和工艺带来的损伤和缺陷会降低电-光转换效率。特别是基于GaAs体系的红光LED，特别容易受到缺陷的影响导致量子效率的大幅下降。

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方面开展了相关工作，具有代表性的是高性能混合型微孔/纳米孔可见光LED。研究团队开发了紫外纳米压印（纳米压印光刻NIL）图案化技术，能够以较低成本得到高度有序的纳米尺度图形阵列。将CdSe/ZnS材料构成的核/壳量子点（QD）发光材料包埋于纳米微孔中，制成了高性能混合型微孔/纳米孔可见光LED。在InGaN/GaN材料构成的多量子阱（MQW）和CdSe/ZnS核/壳量子点（QD）发光材料之间形成一种非辐射共振能量转移机制，通过高效率的色彩转换可产生绿色/黄色/红色光的高颜色转换效率和高显色指数，并成功将其运用于Micro-LED器件制备。该器件的稳定性、响应速率、显色性能等方面表现出了优异的性能。

高性能显示中对光源颜色的纯度、强度和响应速度都有很高的要求。南京大学宽禁带团队利用金属表面等离子体激元效应，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，获得了从绿光至深紫外UV-B的激光发射，为下一代超小光源打下基础，助力中国固态照明与高性能显示行业的发展。

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。而由于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，健康和医疗应用，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。针对以上困难和挑战，南京大学宽禁带研究团队研发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，优化了器件内载流子输运，使得APD器件的泄漏电流显着降低，并且增益达到了创纪录高的1.6×105。

综上所述，南京大学研究团队展示了微型/纳米混合LED，实现了高性能的红色/绿色/蓝色和白色微纳发光器件。设计了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）光谱范围的低激发阈值的激光。此外，通过独特的吸收和倍增结构设计，制备了性能显著改善的AlGaN基紫外日盲光电二极管（APD）探测器，增益达到了创纪录水平。上述纳/微米混合LED、纳米激光器和极化增强型APD的最新研究进展有望引领III族氮化物基光电子器件在未来的创新应用。

作者简介

刘斌，教授，博士生导师，南京大学电子学院副院长，长期开展III族氮化物半导体异质结构和光电子器件研究，兼任江苏省重点实验室、教育部工程中心、国家地方联合工程中心副主任；曾2012-2014年在英国谢菲尔德大学III-V族半导体国家实验室从事博士后研究，在美国耶鲁大学、瑞典皇家工学院、中国香港中文大学短期访问研究；主持承担国家重点研发计划与国家自然科学基金等项目20余项，发表SCI学术论文180余篇，申请/授权发明专利50余项，获国家自然科学基金委优秀青年基金资助，教育部青年长江学者，以及教育部高校自然科学一等奖和技术发明一等奖2项，以及霍英东青年教师基金奖。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究基于宽禁带半导体材料。众所周知，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。但是这一领域仍然存在一些困难和挑战。我们的目标很简单，就是基于这一材料体系开展深入的研究，研究使其能够转化为高性能可用的器件，从而走进人们生活或者为国家战略性需求做出贡献。幸运的是，南京大学研究团队在材料外延，器件设计与制备上有扎实的基础，团队中有一批极具潜力与活力的青年研究人员，为高质量材料与新型器件研发和创新提供了可行的途径。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何与产业界协同配合。本项研究的最终目标还是希望能够将新技术落地，能够为行业技术迭代提供支撑，能够助力中国半导体产业发展。在这个过程中，研究团队与相关企业内研发人员相互沟通，互相配合。企业从业人员在工艺技术方面的经验积累起了很重要的作用。

此外，这项研究属于面向应用的基础研究，其中需要电子方面的物理基础和器件方面的工艺技术，我们团队还会在物理基础和电子器件方面进一步储备核心技术，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：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。紫外LED和光电探测器件对于环境监测，健康和医疗应用，医学诊断等新应用越来越重要。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。南京大学在III族氮化物光电器件的研究，能够赋能信息显示、高速可见光通讯和智能可穿戴等领域的未来发展，进一步推动芯片、显示、驱动等相关行业的可持续发展，并带动人体健康与运动监测、人工智能、医疗探测、虚拟现实等更多新兴领域。我们相信以上研究成果为照明显示、智能电子、环境监测、生命健康等相关应用领域的发展将产生推动作用。