日前，Silanna UV一研究团队公布了利用氮化镓：氮化铝（GaN：AlN）短周期超晶格（SPSL）性能的研究，声称在蓝宝石上生长的Far-C UV LED的辐射通量达到创纪录的17.4mW。

AlGaN LED是实现低成本、紧凑型紫外光源途径

虽然AlGaN LED被视为实现低成本、紧凑型紫外线光源的途径，但仍有许多挑战需要克服。随着 AlGaN 中铝含量的增加，产生的光变得更难以提取，因为重组过程会将光子发射到横向磁（TM）模式，而不是横向电（TE）模式。因此，光主要是平行而不是垂直于器件层发射的，而且高铝含量AlGaN的另一个问题是掺杂效率低。

在GaN中，光发射倾向于垂直于器件层，重空穴（HH）带是最高能级，导带中的电子主要在此重组。相比之下，在高铝含量的AlGaN中，晶场分裂空穴（CH）带的能级最高，重组到该能带的电子会发射出 TM 模式。

图 1：用 6x6 k.p 理论计算的 (a) 块状 Al0.8Ga0.2N 和 (b) 1:4 单层GaN:AlN 短周期超晶格 (SPSL)（周期 L）沿c轴的价带能-量（E-k）图。

改变SPSL层厚度，可获得不同LED目标波长

为此，Silanna UV团队利用SPSL结构将 HH小波段（HH1）恢复为最高能级，从而实现TE 光提取。另外SPSL还能缓解掺杂效率问题，研究团队不止采用SPSL 替代器件结构的一个部分，而是在几乎整个外延材料层中都使用了SPSL。

据了解，AlN:GaN 短周期超晶格 (SPSL) LED材料是通过等离子体辅助分子束外延 (PAMBE) 技术在6英寸蓝宝石衬底上生长出来的（图 2）。该材料与底层 400nm AlN缓冲层之间存在假象应变。

图 2：(a) SPSL 紫外发光二极管的基本器件结构。(b) 重组区和啁啾区界面的透射电子显微镜图像。(c) 生长在 AlN 缓冲区上的 SPSL 的 X 射线衍射 x-2h 扫描图。

从图可以看出SPSL是由GaN 层和AlN层交替组成，通过改变这些层的厚度，可以获得不同的III 族氮化物材料的有效铝含量，从而获得不同的LED 目标波长。使用SPSL结构可将电阻率降低三倍

Silanna UV团队对器件进行测试，该器件的80nm/36周期重组区和450nm块状n型区被 50nm 高导区隔开，高导区的铝含量较低，为 1:4 单层GaN：氮化铝，因此37周期内的有效铝含量为 80%。使用SPSL结构可将电阻率降低三倍，这与已报道的块状 Al0.8G0.2N 材料的电阻率值相差无几。针对229-240纳米波长，重组/大容量区域的铝含量约为93-98%。

另外该器件的最终区域包括一个20纳米的啁啾/分级层，随着GaN层厚度的增加过渡到 40 纳米的p 型GaN盖层。

研究团队表示，啁啾层的目的是改善从更低带隙的GaN到SPSL重组区的空穴注入，还可以作为电子阻挡层，限制电子越过重组层。

同时测试到盖帽中的电离受体浓度约为 1x1019/cm3，高导电率SPSL层中的电离供体浓度估计为 8x1019/cm3。这种材料被制成带有钛/铝触点的钝化 Mesa LED。光电测量是通过晶圆底部的 2 英寸积分球进行的。在整个晶片上，器件的波长和功率性能都很均匀。然而，电气性能却不那么均匀。研究团队解释说："这是因为串联电阻以及电气特性受到蚀刻和金属化工艺的影响，而不仅仅是MBE生长工艺的影响。

其指出一个具有 233 个±1nm 波长器件的晶片可以生产出 10763个LED。晶片内部4英寸的波长标准偏差仅为0.16 纳米。在20mA 注入时，该内侧部分的平均光功率输出为0.2W。对于距离晶片边缘半英寸以上的器件，20 毫安时的驱动电压标准偏差小于 0.16 伏。

研究团队表示 "可以生产出性能一致的大于 4 英寸的区域，从生产量和产量的角度来看，的MBE生长SPSL LED方法是最有前途的方法之一。

达到Far-C LED最高辐射通量，1A时光输出为17.4mW

该研究团队还利用商用齐纳二极管分流器的静电放电保护功能封装了1mmx1mm的单晶LED。在用氮化铝陶瓷材料封装之前，LED的厚度被减薄到 275μm，测量是在一个6英寸的积分球中进行的（图 3）。

图 3：（a）波长为 236nm 的器件的典型光输出功率、壁插效率和电压与注入电流的关系。(b) 根据 TM21 标准，单个器件在 20mA 连续电流下工作3000小时的寿命性能。(c) 80 个封装器件的 R70 百分位数。

实验证明一个典型的封装器件在50mA注入时的壁插效率达到了0.55%，峰值效率为0.55% 时的辐射通量为1.7mW，在1A 时的光输出为17.4mW。研究团队表示“虽然这大大超出了预定的驱动电流，但这是蓝宝石衬底上生长的远紫外LED所报告的最高辐射通量”。