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近期,LED业好消息不断,科学家们依然很“赞”!
来源: | 作者:minglin | 发布时间: 2019-11-28 | 14 次浏览 | 分享到:
近期,LED业好消息不断,科学家们依然很“赞”!

  紫外LED性能取得新突破

  紫外线虽然在太阳光中能量占比仅5%,但却广泛应用于人类生活。目前紫外光应用包括印刷固化、钱币防伪、皮肤病治疗、植物生长光照、破坏微生物如细菌、病毒等分子结构,因此广泛应用于空气杀菌、水体净化和固体表面除菌消毒等领域。传统的紫外光源一般是采用汞蒸气放电的激发态来产生紫外线,有着功耗高、发热量大、寿命短、反应慢、有安全隐患等诸多缺陷。新型的深紫外光源则采用发光二极管(light emitting diode: LED)发光原理,相对于传统的汞灯拥有诸多的优点。其中最为重要优势的在于其不含有毒汞元素。随着《水俣公约》的实施,标志着2020年间将全面禁止含有汞元素紫外灯的使用,因此如何才能开发出一种全新的环保、高效紫外光源,成为了摆在人们面前的一项重要挑战。

  而基于宽禁带半导体材料(GaN,AlGaN)的深紫外发光二极管(deep ultraviolet LED: DUV LED)成为了这一新应用的不二选择。这一全固态光源体系体积小、效率高,寿命长,仅仅是拇指盖大小的芯片,就可以发出比汞灯还要强的紫外光。这其中的奥秘主要取决于III族氮化物这一种直接带隙半导体材料:导带上的电子与价带上的空穴复合,从而产生光子。而光子的能量则取决于材料的禁带宽度,科学家们则可以通过调节AlGaN这种三元化合物中的元素组分,精密地实现不同波长的发光。然而,要想实现紫外LED的高效发光并不总是那么容易。研究者们发现,当电子和空穴复合时,并不总是一定产生光子,这一效率被称之为内量子效率(internal quantum efficiency: IQE)。

  中国科学技术大学微电子学院孙海定和龙世兵教授课题组和中国科学院宁波材料所郭炜和叶继春研究员课题组发现,为了提升紫外LED的IQE数值,可以通过AlGaN材料生长的衬底——蓝宝石,也就是Al2O3的斜切角调控来实现,研究人员发现,当提高衬底的斜切角时,紫外LED内部的位错得到明显抑制,器件发光强度明显提高。当斜切角衬底达到4度时,器件荧光光谱的强度提升了一个数量级,而内量子效率也达到了破纪录的90%以上。

紫外led显示屏


  与传统紫外LED结构不同的是,这一种新型结构内部的发光层——即多层量子阱(MQW)内势阱和势垒的厚度并不是均匀的。借助于高分辨透射电子显微镜,研究人员得以在微观尺度分析仅仅只有几纳米的量子阱结构。研究表明,在衬底的台阶处,镓(Ga)原子会出现聚集现象,这导致了局部的能带变窄,并且随着薄膜的生长,富Ga和富Al的区域会一直延伸至DUV LED的表面,并且在三维空间内出现扭曲、弯折,形成三维的多量子阱结构。研究者们称这一特殊的现象为:Al,Ga元素的相分离和载流子局域化现象。值得指出的是,在铟镓氮(InGaN)基的蓝光LED体系中,In由于和Ga并不100%互溶,导致材料内部出现富In和富Ga的区域,从而产生局域态,促进的载流子的辐射复合。但在AlGaN材料体系中,Al和Ga的相分离却很少见到。而此工作的重要意义之一就在于人为调节材料的生长模式,促进相分离,并因此大大改善了器件的发光特性。

  通过在4度斜切角衬底上优化外延生长调节,研究人员摸索到了一种最佳的DUV LED结构。该结构的载流子寿命超过了1.60 ns,而传统器件中这一数值一般都低于1ns。进一步测试芯片的发光功率,科研人员发现其紫外发光功率比传统基于0.2度斜切角衬底的器件强2倍之多。这更加确信无疑地证明了,AlGaN材料可以实现有效的相分离和载流子局域化现象。除此之外,实验人员还通过理论计算模拟了AlGaN 多量子阱内部的相分离现象以及势阱、势垒厚度不均一性对发光强度和波长的影响,理论计算与实验实现了十分吻合。

  该研究成果由华中科技大学戴江南和陈长清教授,河北工业大学张紫辉教授,沙特阿卜杜拉国王科技大学Boon Ooi和Iman Roqan教授联合攻关完成。研究者相信,此项研究将会为高效率的全固态紫外光源的研发提供新的思路。这种思路无需昂贵的图形化衬底,也不需要复杂的外延生长工艺。而仅仅依靠衬底的斜切角的调控和外延生长参数的匹配和优化,就有望将紫外LED的发光特性提高到与蓝光LED相媲美的高度,为高功率深紫外LED的大规模应用奠定实验和理论基础。相关结果以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”为题,在线发表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201905445)。(来源:MaterialsViews)

  微型/纳米混合LED

  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。

  据Rebecca Pool报道,Kubos半导体公司利用其立方GaN外延技术,打算很快推出大规模制造绿色led的工艺。

  立方GaN外延技术商业化

  英国Kubos半导体公司和英国复合半导体中心联手解决了LED行业臭名昭著的“绿色鸿沟”问题。

  正如今年10月披露的那样,合作伙伴正共同努力将用于制造高效绿色和琥珀色LED的立方GaN外延技术商业化。

  这一举措正值绿色LED的效率数字大大落后于蓝色LED,尽管全球各行业都在努力缩小所谓的绿色差距。

  “缩小绿色差距是一个长期存在的问题,一直是LED制造商面临的一个长期挑战,至今仍未解决,”Kubos首席执行官卡罗琳•奥布莱恩(Caroline O'Brien)表示。“但我们很快就会推出一种在商业上可行的解决方案,我们预计这一方案将获得非常好的反响。”

  她补充道:“绿色LED是我们主要的商业化催化剂,我们在这方面取得了良好的进展,因此计划明年开始这一商业化进程。”。

  到目前为止,六角GaN晶体已经被广泛应用于制造蓝色led,但是在绿色器件中实现高效的工作是一个问题。在这些长波长结构的有源区中,大的偏振场降低了辐射复合率,限制了LED的效率。

  但库博斯有答案。该公司的工艺是在硅衬底上3C(立方)SiC上生长立方GaN。与六边形GaN不同,立方GaN没有电场,消除了偏振问题,为高效led的设计打开了大门。

  3C-SiC在硅上的外延工艺是由华威大学的spin-out,Anvil半导体公司首创的。Anvil谨慎地保护了它的IP,但大约在8年前,它开始在用于SiC功率器件的硅片上珩磨一个生长3C-SiC的过程,克服了不同材料的晶格参数和热膨胀系数的不匹配。

  该公司与剑桥大学(Cambridge University)在五年前合作,在Si模板上的立方SiC上生长立方GaN。成功之后,合作伙伴生产了世界上第一个150毫米晶圆,上面生长着100%立方GaN,Kubos获得了独家许可证,可以将这种IP商业化,并提供高效的绿色和琥珀色led。

  最关键的是,最近的Kubos-CSC合作关系将加速Kubos的技术开发。CSC是一家由半导体外延晶圆产品制造商IQE和卡迪夫大学(Cardiff University)组成的合资企业,提供了工业标准外延工具的商业准入,为商业化提供了明确的途径。

  CSC的Rob Harper说:“在Si上的立方碳化硅上生长立方氮化镓提供了一个可扩展的平台,提供高质量的立方GaN层。”

  “重要的是,我们有多个MOCVD工具平台,在扩展到更大的200毫米晶圆之前,可以在更小的直径上进行经济高效的开发。”

  他补充道:“AixtronG5+反应器的可用性意味着,[库布斯]工艺可以在高达200毫米的基板上商业化。”。“在全球提供的工业标准MOCVD工具上演示Kubos技术有助于扩大规模,从而缩短上市时间。”

  根据O'Brien的说法,Kubos已经证明在150毫米的3C-SiC硅片上可以生长出立方GaN,并且声称当硅硅片上的200毫米SiC可用时,立方GaN的生长也可以被缩放。

  她说:“将其扩展到200毫米晶圆甚至更大的晶圆尺寸是没有限制的。我们一直在努力确保可扩展性,以便该技术与大批量生产兼容,并在商业上可行。”

  就成本而言,奥布莱恩和哈珀都看不到任何绊脚石。奥布莱恩认为,到目前为止,没有任何迹象表明,一个LED制造商不能采用成本效益高、可制造性强的方法。

  正如哈珀所说:“事实上,这可以扩展到200毫米晶圆提供了进一步的成本削减超过150毫米晶圆。”

  他补充道:“我们还可以在多晶片MOCVD平台(如Aixtron G5+)上提供这种功能,并同时处理5×200mm晶片或8×150mm晶片的批次,这可以提供比单晶片工具低得多的晶片成本。”。“一旦技术到位,我们可以预期,在规模经济和优化运营效率的推动下,将进一步降低成本。”

  主要应用包括用于显示市场以及汽车和传统LED照明市场的微型LED。考虑到这一点,Kubos和合作伙伴正在努力提高将通过其工艺制造的绿色led的效率。

  正如奥布莱恩指出的,早在2017年,美国能源部就制定了雄心勃勃的内部量子效率(IQE)目标,为54%,因此这是该公司的最终目标。她说:“目前,许多绿色LED设备的效率仍明显低于这一水平,因此提高智商是我们目前发展的重点,虽然能源部的目标是一条路要走,但我们已经看到了这一点。”。

  同时,工艺优化和成品率工程的工作也在进行中。合作伙伴的主要目标是将这一技术融入一级生产线,因此,他们计划在未来2到3年内将这项技术授权给大型LED公司。正如奥布莱恩所说:“我们明年将开始与客户接触,而LED制造是一个非常成熟的过程,因此如果在这个时间范围内没有上市,我会感到失望。”

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