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向深紫外进军的半导体光源

 
半导体光源前沿已经移到紫外区。开发者们正在对用于蓝紫光激光器的宽带III-V族氮化镓化合物进行进一步的研究,试图通过增加铝来增加它的禁带宽度,从而得到更短的波长。从理论上讲,如果作用层是氮化铝的话,这个材料就可发射短至205nm波长的光。短于240nm波长的电致发光也已经观察到了。但是,国防部先进研究计划暑(DARPA; 华盛顿特区)半导体紫外光源计划经理John Carrano说:实际的镓铝氮(GaAlN)器件,发射波长是受到限制的,LED波长限制在280nm,二极管激光器的波长限制在370nm



1.氮化物半导体的带宽、晶格常数及相应波长。一般来说, 由较轻元素组成的晶体,晶格常数较小,禁带宽度较大。砷化镓的晶格常数为0.565nm

有报道说:更短的波长已从实验室的器件中得到。Carrano但是谁会去关心那些只能发射纳瓦量级的东西。我只考虑能够实用的器件,它的输出功率应该有毫瓦量级,而且,至少能工作几百小时。这样的功率和寿命水平与DARPA想用于生物传感器、水净化、杀菌和无线大气通信的器件水平比较接近。Carrano认为,这样的要求是可以做得到的,无论是LED,还是二极管激光器,都可以将波长向稍微再短一些的方向推进。

紫外半导体材料

用于短波长光源的原料是GaxAl1-xN。由图1可见:从纯GaN到纯AlN,带宽从3.4增加到6.2电子伏特。所以,增加铝浓度,就会使波长变短。但是,当带宽和铝浓度增加时,LED和二极管激光器的制作,就会遇到许多问题。

增加带宽,就会有更多的非辐射机构,消耗更多的由载流子复合所释放出来的能量,从而导致功率转换效率的下降,使散热更加问题。在铝浓度较高时,用来将光限制在量子阱内的折射率差变小了,从而增加了光的泄露。此外,非辐射机构还增加了长波辐射分量,这种辐射可能会使以荧光为基础的传感器受到干扰。

氮化镓是容易产生内部缺陷的,这些缺陷加速了器件退化和失效。虽然开发者们已经在这方面取得了很大进步, 但是缺陷仍然会使器件的电学特性退化,并最终导致器件完全破坏。当铝浓度增加时,要制作好的电接触变得更加困难,p-AlGaN的阻抗随铝浓度增加而增大。当接触电阻和体电阻都增加时,通过二极管的压降也增加,从而导致功率转换效率下降,内部热量增加,最终导致寿命变短。

添加铟,便可产生四元系化合物AlGaInN,这样就多了一个自由度,可对带宽和晶格常数分别进行调整。铟还对生长过程有利, 它引起的某些不均匀性,实际上对提供辐射效率有利。铟在发展蓝光二极管激光器时起了很重要的作用,但是它减少了禁带宽度,因此,它的使用增加了获得更短波长的困难。

紫外LED的诱惑

实际上,发光二极管与二极管激光器相比,有许多优势。第一,它们比较简单。不需要在内部精心制作微细结构,以用来限制光和形成谐振腔。第二,LED的可靠性较高,因为它们的驱动电流较小,因而,内部电流密度较小、功耗小、内部产生的热量也较小。从本质上说:短波长的运转主要受器件的退化所限制,因此,退化越慢,LED就越可靠,因而,允许LED在比二极管激光器短得多的波长运转。

幸运的是, 在大多数半导体光源应用领域,激光辐射的窄线宽和高度方向性,都不是特别必要的。DARPA强调需要毫瓦级功率、室温连续(CW)运转和合理寿命。到目前为止,发射波长近280nm的毫瓦级LED,在室温的运转寿命已达几百小时。这个波长是个关键目标,因为它处在太阳盲带谱的边缘。大气吸收,阻止更短波长的紫外辐射到达地球,从而消除了日光背景的影响。

Carrano
对改善LED效率比对获得更短的紫外波长更关心。到目前为止,在280nm波段,最好的功率转换效率只有1%2%。在实验室里,这样的效率也许还能接受,但在野外,这是远远不够的。在野外,器件通常由电池供电,在野外,它们被烧坏了,就很难更换。因此,DARPA的目标是:转换效率要达到10%。较高的效率也有助于延长LED本身的寿命,这是在野外工作时人们关心的另一个问题。DARPA希望寿命至少能达到10,000小时,这样,用一整年也不需要修理。

一个目标是制作一系列廉价的电池供电的生物传感器,这种传感器能分布在野外,为可能存在的生物制剂提供预警。在活细胞中发现的某些化合物,在紫外光的激励下,会产生很强的荧光。尽管廉价的LED生物传感器不能识别生物制剂的具体种类,但它们可以构成预警系统,让部队能够采取保护性措施。



2.空气分子散射深紫外光,从而使无线光通信成为可能。高空大气吸收使信号随距离的增大而减小,从而使通信范围受到了限制,但也使远距离的窃听不可能进行。

到目前为止,毫瓦级280nm LED的寿命为几百小时。波长较长时,寿命也较长。在近340nm波长,寿命已达到数千小时,DARPA需要的是更短波长,因为它们可能带来新的应用。短于280nm的波长可能用于短距离保密通信,这种通信不要求可以看见的线。大气产生很强的瑞利散射可将信号散射到很广的角度,而大气吸收则限制了传输距离,并消除了阳光背景(见图2)
Carrano
说:实际上,要得到260-265nm的光,不存在任何难以克服的困难。这些波长可对活细胞中的DNA产生重要影响:在两个DNA串之间形成连接,阻止它们复制,最终将细胞杀死。 DARPA想象的应用就是:用紫外光来杀灭水中或物体表面的细菌。现在,这项工作要求峰值波长为254nm的水银灯。

LED
的实验结果

在波士顿材料研究协会秋季会议期间(Nov. 29-Dec. 02, 2004)举行的氮化物半导体讨论会上,有一项关于紫外LED的报道令人难忘。



3 深紫外LED是这样制造的:在蓝宝石衬底上,沉积AlN缓冲层和AlN/AlGaN短周期超晶格结构。从AlGaN作用层的多量子阱中产生的辐射通过衬底发射出来。在p+-GaNn+-AlGaN层上制作欧姆接触。

南卡罗来纳大学的Vinod Adivarahan描述了在AlN/AlGaN超晶格上制作的多量子阱LED(图3)。在280nm波长脉冲运转时,当工作电流为20mA时,他们获得了1.1mW的输出功率;当工作电流增至200mA时,输出功率增加到了11mW。在265nm波长脉冲运转时,工作电流为20mA时,获得了0.4mW的输出功率。但Adivarahan说,这是有史以来在这样短的波长观察到的最好结果,因为,在这样短的波长运转,困难要大得多。将工作电流增加到200mA,脉冲输出功率可增加到6.5mW;当工作电流增加到350mA,峰值功率可达10.5 mW

在较长的波长,输出功率要高得多。耶鲁大学(New Haven, CT)Jung Han将辐射340nmAlInGaN LED与辐射280nmAlGaN LED进行了比较。当脉冲电流为1A时,大面积340nm LED输出79mW,相应的功率转换效率为2.2%。在280nm LED中,必须将铟全部消除,将铝的浓度提高。当AlGaN LED800mA脉冲工作时,输出功率为8.5mW,相应的功率转换效率仅为0.24%
Sandia
国家实验室(Albuquerque, NM)Mary Crawford报告:她从含79%铝的AlGaN层(未包装的片子)中,获得了237nm波长的电致发光。但是,她称这个实验只是概念性的演示。其它的人也观察到了比265nm还要短的波长,但功率远远低于实际需求。Sandia小组在稍长一点的波长做得要好得多,他们报道的LED,276nm波长,连续输出功率已超过1mW;在297nm波长,连续输出功率已达2mW
寿命是短波长LED的关键问题,尽管这方面的数据报导很少。南卡罗来纳大学的Ashay Chitnis报导:他们对包装好的280nmLED进行了寿命试验,在20mA的半功率点工作时,寿命可超过100小时。 Chitnis埋怨顶部p-型材料金属化层的退化,可能是使器件夭折的主要原因。
开发者们指出了一些共同的问题。P-材料的高阻抗和电连触导致高压降和热散困难;螺旋形位错是引起器件各层缺陷的罪魁祸首;光学限制很差;过多的光在比LED峰值波长还要长的波长发射,成为荧光应用中的一个潜在问题;AlGaN承受着高位错密度的压力;纯AlN265nm波长不透明,用它作衬底是不适合的;等等。但是,人们在提高短波长LED的输出功率和寿命方面,正在稳步前进。

紫外激光器问题

Carrano
说:紫外激光二极管是一个比LED“还要难做的器件,更复杂的异质结结构和更高的电流密度对半导体材料提出了更高的要求。

400nm
波长的紫光二极管已有商品出售,它是建立在三元系化合物铟镓砷基础上的,但如果不加铝,就不可能让其将波长缩短到360nm。但添加铝,会影响器件的寿命。向更短波长发展,还会在光子限制、非辐射过程、维持粒子数反转等方面带来新的难题。

所有这些因素都使激光二极管的室温运转波长不得不比LED波长长得多。对毫瓦级激光器来说,最短波长在370nm,寿命为数百小时。在CLEO 2004(旧金山,加州)会议上,Cree(Durham, NC)报导:他们研制的激光二极管,可在348nm波长连续运转和在343nm波长脉冲运转,但输出功率和运转寿命都非常低。DARPA希望激光器的运转寿命,在室温,能达到数千小时。

Palo Alto
研究中心(PARC; Palo Alto, CA)一直努力工作,希望二极管激光器能在320nm波长运转。现在,他们已经演示了光学泵浦的激光异质结,可在308nm波长工作。他们正在改善它们的电学性质。PARCNoble Johnson认为:他们小组离获得电驱动的320nm激光器已经不远了,但还不能预言何时才能使它们真正受激。他补充说:现在,困难是如何才能将阈值电压、阈值电流降到合理水平,我们正在稳步前进

对半导体激光器的主要兴趣在于:它能用于高端生物传感器,能比LED的预警系统提供更精确的信息。激光是可以调谐的,可以将其波长调谐到与峰值吸收波长匹配。这样,便可用激光器传感器来监视某种特殊的制剂,这种特殊的制剂在该波长发射的荧光最强。这些传感器可用来保护重要目标,如重要建筑或军事设施。对可能已经遭受生物制剂袭击的人进行诊断,确定特定病毒,也许还需要采用其它生物技术和其它实验室条件,这大约需要几个小时。

展望

半导体紫外光源的发展,是在Shuji NakamuraInGaN制造蓝光和紫光二极管激光器实现突破的基础上进行的。商品开发者们已经发现:400nm波长是最佳的发光波长,也许这就是新一代光存储装置的基础。

推动半导体光源向更短波长发展是一场艰苦的战斗, 至少在近期,LED比激光器更实用。不过,大多数的应用是不需要激光器的,而且,从基础材料到器件结构领域,都在不断进步。半导体光源正在向深紫外进军。
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点击次数:  更新时间:2011-04-11 09:05:30  【打印此页】  【关闭
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