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紫外光电半导体芯片化大幕的展开

近年来,紫外光电半导体研究和产业正在经历高速发展。Photonics Research 适时推出 Semiconductor UV Photonics 半导体紫外光电专题,由沙特阿卜杜拉国王科技大学李晓航、美国佐治亚理工学院Russell Dupuis、德国柏林工业大学Tim Wernicke组稿。专题共发表了来自中国、德国、日本、美国、英国、爱尔兰等国学者的11篇高质量论文,反映了本领域最新的和突破性的研究成果。

       那么,半导体紫外光电这一研究方向是如何产生并兴起的呢?它有什么无可比拟的优势呢?专题中的11篇论文都研究了哪些最新黑科技呢?本次专题的组稿人之一李晓航教授来为大家逐一解答。一亿五千万公里以外正当壮年的太阳,每天都在压榨无数对氢原子成为氦原子来发出巨大的能量加热自己从而辐射出电磁波(光子)。太阳辐射的电磁波波长范围很广,包含肉眼能见的红绿蓝等可见光,也包含跟现代社会息息相关的紫外光。紫外光指波长在10 nm到400 nm之间的电磁波,波长比可见光短,但比X射线长。在太阳发出的电磁波里,紫外光波段大约占10%。普朗克-爱因斯坦关系式告诉我们:电磁波的波长越短,能量越大。所以相比可见光,紫外光的能量可以大得多。

图1. 紫外光的发现者德国科学家里特 (1776-1810)紫外光的发现也跟它的大能量相关。1801年德国科学家里特在研究阳光下不同波长光对于氯化银的作用时发现,在紫光以外还有看不见的光会让氯化银表面反应比在紫光照射下更快。现在科学界知道这是由于紫外光的能量比紫光大造成的。当时里特把紫外光称之为“氧化射线”来强调它的强化学反应特性并与1800年英国科学家赫歇尔发现的“热射线”即红外光区分开来。“氧化射线”这一名词被一直广泛使用到了19世纪末。要是这一名词一直沿用到今天,我们很可能需要把紫外灯改称为氧化射线灯了。

图2. 200 – 400 nm紫外光的重要应用 [M. Kneissl et al., Nat. Photonics 13, 233 (2019)]在高能量光子的加持下,紫外光可以跟无数化学分子和生物组织发生反应。而当今社会几乎所有工业品和消费品的生产和使用都跟化学或生物有关。比如水和空气净化、医院消毒、芯片制造、植物栽培、皮肤病治疗、有机固化、火焰探测等。其中紫外光的消毒作用早在1878年就被发现和广泛使用。另外,最近被称为国之重器、攸关集成电路芯片未来的极紫外光刻机用的也是紫外光。与喜欢抛头露面的可见光应用如照明显示不同,紫外光应用基本“大隐隐于市”,不为一般人所见。但这些应用却极为重要,应用场景也很广泛。
可是仅仅依靠太阳获取紫外光是远远不够的。太阳的紫外光中,有很大一部分波长范围的能量被大气臭氧层吸收或受天气影响。因此人类社会很难用其实现大规模和高可靠性的现代社会生产生活的各项活动。不能靠天取光,人类只能使用人造紫外光源。现在最常见的人造紫外光源是气体放电灯等非相干光源,利用在电场下气体电离而发光。最常见的紫外气体发电灯为汞灯(水银灯)。汞是一种神奇的过渡金属,除了可以用来测量温度气压,科学家发现其电阻在低温下会完全消失,成为超导体。在中国古代,汞被认为可以延年益寿,甚至可以用来避孕。但汞为现代社会所知更多是因为其毒性,尤其是发生在日本水俣市波及万余人的汞中毒事件。一旦接触或摄入汞,患者会出现手足失控、语言障碍等症状,重者会神经错乱最后死亡,至今仍无特别有效的治疗方法。有很多历史学家认为秦始皇之死便与服用含汞的“长生不老丹”有关。因为其毒性,世界各国都在加强对汞使用的管制。2013年由联合国牵头,多国代表在日本水俣市对《关于汞的水俣公约》达成一致。截至2019年,已经有105个来自全球各地的签约国,包括日本、中国、沙特、欧盟多国。该公约要求从2017年开始,签约国要大力限制和禁止含汞产品的使用和生产,其中就包括了汞灯。禁汞限汞值得庆祝,但需要用什么技术来替代汞灯?天选之子就是本文的主角:半导体紫外光源。

(点击此处查看高清大图)III族氮化物如镓氮、铝镓氮是一种新兴的宽禁带半导体,在中国等地又被称为第三代半导体,拥有其他材料不可比拟的性质如可实现在深紫外到红外之间的高效发光。刚刚过去的2019年是诺奖得主Amano和Akasaki等科学家发明第一个氮化镓PN结LED芯片的三十周年。该LED芯片发光的波长为375 nm,其实恰好落在紫外波段内。但由于对照明和显示技术市场的重视,过去三十年各国对于III族氮化物发光技术的研发主要集中在更长波长如蓝绿黄等可见光波段。因为化合物半导体界学术的传统,以诺奖得主Amano、Akasaki、Nakamura为代表的研究人员很少在高影响因子期刊上发表论文。但研究人员潜心研发,解决了无数科学和技术问题,成就了可见光光电半导体芯片技术的腾飞和对社会的极高影响。今天在横跨17小时时区的亚洲欧洲北美,过千台MOCVD昼夜不停每年生产数千亿颗可见光LED芯片。其中量产型蓝光LED能实现约80 - 90%的电光转换峰值效率和几万小时的寿命,远远优于传统人造可见光光源如蜡烛、白炽灯、荧光灯和其他新型发光技术。因此可见光光电技术正在大规模的半导体化,其深刻改变了全球照明显示等重要产业和全球能源使用的格局。是以各类顶级褒奖纷至踏来:2014年诺贝尔物理学奖、2015年德拉普尔奖(“工程界诺奖”)、中国2015年国家技术发明奖一等奖(南昌大学江风益领衔团队)、中国2019年国家科技进步一等奖(中科院半导体所李晋闽领衔团队)等等。

图4. 第一个氮化镓PN结LED 发光光谱 [H. Amano et al., Jpn. J. Appl. Phys 28, L2112 (1989)]相比可见光LED,紫外LED的研发和产业规模稍显落后。但由于《水俣公约》的实施和半导体紫外发光技术相对汞灯的优越性如长寿命、稳定性、小体积、低电压、连续可调波长等,未来紫外LED在杀菌消毒和固化等领域市场“钱景”巨大。根据LED inside 2019年的预测,2023年紫外LED的市场年产值可达近10亿美元。而且未来几十年随着紫外LED性能和成本的不断提升和下降,潜在市场规模会如可见光LED持续迅速扩大。在新的大蛋糕的诱惑下,过去十几年世界各地可见光LED玩家和众多初创公司纷纷进军紫外LED,有的专注于产业链的一环如芯片外延或封装应用,有的则搭建起垂直产业链条。由于材料带宽大、发光波长短,紫外LED外延芯片的技术门槛难度比蓝光LED要高不少,需要多年的技术积累和专业人才培养。另外跟绝大多数高门槛的半导体技术一样,紫外LED也需要大量的投资。建立外延芯片PI实验室和规模化工厂的成本一般以千万和亿人民币为单位。庆幸的是过去约20年中,针对紫外LED芯片和应用的研发一直在大学、科研院所和公司中进行,而且近几年力度在迅速加大,随之发表论文数量也逐年上升,相关理论和实验每年也都有相应突破。目前应用在固化等方向400 nm以下的近紫外LED工艺虽仍需要提高,但已相对成熟,可以实现较大的功率。应用在消毒等方向300 nm 以下的深紫外LED的工艺还远未成熟,目前商用芯片电光效率一般在10%以下,显著低于汞灯的效率。所以还需要更多的研发投入来提升外延、物理、器件制备、封装、应用等方面的综合水平。除了紫外LED,基于III族氮化物的半导体紫外激光也可在芯片制造、医疗手术、生化探测、通讯、原子钟等领域大显身手。另外用于检测紫外光的紫外探测器也在无数应用中必不可少。因为探测器不是发光器件,其可用直接带隙和间接带隙的宽禁带半导体如III族氮化物、III族氧化物、碳化硅制备。半导体紫外紫光与探测器和紫外LED一样,拥有比现有非半导体技术优越得多的各种性质和可观的市场。但它们都还需要更多研发投入,提高器件性能,进而大规模取代现有技术,最终将这些重要应用半导体芯片化。

(Web of Knowledge | 2020年1月5日)在半导体紫外光电研究和产业化高速发展的背景下,Photonics Research适时推出Semiconductor UV Photonics专题,由美国佐治亚理工学院Russell Dupuis、德国柏林工业大学Tim Wernicke和笔者组稿。专题得到了本领域多个领先研究小组和公司的积极响应。专题共发表了来自中国、德国、日本、美国、英国、爱尔兰等多个国家地区学者的11篇高质量论文,反应了本领域最新的和突破性的研究成果。内容包括半导体紫外器件最关键的外延、表征、纳米结构、器件制备、器件可靠性、通讯等。

德国柏林工业大学Michael Kneissl团队首次使用MOCVD生长出隧穿结深紫外LED。

日本UV Craftory公司CTO Akira Hirano团队提供文献里稀少但有高度价值的有关封装材料和技术的综述。

南京大学陆海团队使用与CMOS工艺匹配的离子注入p型掺杂技术,实现了高性能氮化镓紫外探测器并提出相应的物理模型。

中科院苏州纳米所孙钱团队采用空气桥电极设计首次实现了半径为12 μm的硅基氮化镓微盘紫外激光器的室温电注入激射(386.3 nm)。

英国斯特拉斯克莱德大学Martin D. Dawson团队报告了利用micro LED技术实现超过1 Gbps的创纪录深紫外通讯传输速度。

河北工业大学张紫辉和国立交通大学郭浩中联合团队利用极化效应设计电子阻挡层增强空穴注入,实现外量子效率高达7.6%的275 nm深紫外LED。

中科院半导体所闫建昌团队利用纳米球光刻技术制备出有更高内量子效率和光提取效率纳米柱深紫外LED,从而实现比传统平面深紫外LED高2.5倍的外量子效率的提升。

美国密歇根大学米泽田团队提供利用纳米晶体来提升紫外LED和激光器件性能的详尽综述。

英国斯特拉斯克莱德大学Carol Trager-Cowan团队最新研究阐明如何利用扫描电镜技术来表征紫外半导体材料的表面形态、缺陷、组分、掺杂和发光灯重要特性。

德国费迪南德布劳恩研究所Sven Einfeldt团队对紫外LED老化和电流与载流子分布的联系做了深入分析。

美国桑迪亚国家实验室Andrew Allerman团队利用纳米点光学活性浮栅制备高性能高电子迁移率晶体管紫外探测器。


Martin D. Dawson团队制备的深紫外micro LED整列。积跬步可至千里,积小流可成江海。尽管前方充满挑战,但紫外光电半导体芯片化的大幕已徐徐展开,谁还会加入这华丽舞台成为科研和产业化的弄潮儿?敬请期待!

· 2020-01-21 11:22  本新闻来源自:,版权归原创方所有

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