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基于湿法剥离的AlGaN基深紫外LED在高强度双轴应变下的发光模式调控

批准号:
62104048
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张康
学科分类:
半导体光电子器件与集成
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张康

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
AlGaN基深紫外LED对包括新冠病毒在内的细菌和病毒均有较强的杀灭作用。然而,深紫外LED发光中存在较高比例沿侧面传播的TM偏振光,导致光提取效率通常低于15%。虽然理论上可以通过应变调制TM偏振光的发光比例,但受限于蓝宝石衬底的刚性特征,实验上可施加的应变强度很低,利用强应变(>1%)调控发光模式的手段和规律缺失。为突破传统研究在应变强度方面的限制,本项目基于申请人良好的前期基础和条件,创新性地采用电化学腐蚀方法将280 nm深紫外LED的蓝宝石衬底剥离,利用柔性衬底对薄膜深紫外LED施加高强度的机械应变,研究薄膜深紫外LED在强双轴应变(>1%)条件下的发光机制和调控规律,获得断裂强度范围内应变强度和TM偏振光发光比例的定量关系,在此基础上发展出利用高温共晶后永久保留的高强度压应变降低深紫外LED中TM偏振光发光比例的实验解决方案,为提高深紫外LED的出光效率提供理论指导和实验支撑。
英文摘要
AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes(DUV LED) has strong sterilization and disinfection including COVID-19.However, there is a high proportion of TM-polarized light propagating along the side in DUV LED, which leads to a low light extraction efficiency, which usually less than 15%. Although it is theoretically possible to modulate the emission ratio of TM-polarized light by strain, the strain intensity that can be applied in the experiment is very low and the methods and rules of using strong strain (>1%) to regulate the emission mode are missing, due to the rigid sapphire substrate. To breakthrough the limitation of traditional research on the strain intensity, the project is based on the preliminary research basis and experiment conditions, the innovation in the electrochemical etching method to lift-off the 280-nm DUV LED from sapphire substrate, high intensity mechanical strain applied by flexible substrate, research in the luminescent mechanism and control rules under strong strain (> 1%), obtained the quantitative relation with strain intensity and TM-polarized light proportion within rupture strength, on this basis, an experimental solution is developed to reduce the emission ratio of TM-polarized light in DUV LEDs by applying high compressive strain which is permanently retained by high temperature eutectic, which provides theoretical guidance and experimental support for improving the light emission efficiency of DUV LEDs.
AlGaN基深紫外LED对细菌和病毒均有较强的杀灭作用,然而,其发光存在较高比例沿侧面传播的TM偏振光,导致光提取效率难以提升,严重制约了深紫外LED的商业化。项目针对这一问题,创新性地采用电化学腐蚀方法将280 nm深紫外LED的蓝宝石衬底剥离,通过衬底键合对薄膜深紫外LED器件引入应变,调整TM和TE模式发光占比,同时利用薄膜器件的高取光效率优势有效提升深紫外LED的出光。主要研究内容如下:研究了大倾角蓝宝石衬底上AlGaN位错的运动行为,探索高温热退火和纳米图形模板上高质量AlGaN外延的生长过程,基于大倾角蓝宝石衬底研究了高内量子效率的深紫外LED外延结构优化和MOCVD生长,探索了面向电化学湿法腐蚀剥离的高Al组分AlGaN基280 nm深紫外LED外延的结构优化和外延生长,开展了草酸和硝酸电解液条件下的AlGaN基外延及深紫外LED的腐蚀行为研究,并利用硅基和金属基衬底深入探索了剥离的氮化物薄膜的键合过程及影响机制,最后开展了深紫外LED的出光偏振特性研究。项目发表SCI论文9篇,申请发明专利2项,并取得了如下研究成果:①基于新型纳米压印AlN/蓝宝石模板实现了108 cm-2量级的高质量AlGaN外延,获得了驰豫度达47.3%的低应变AlGaN外延;②优化AlGaN基深紫外LED外延结构,传统衬底上内量子效率56%,倾角衬底形成组分波动分布的一维量子强限制结构抑制非辐射复合,内量子效率提升至70%。③探索了基于新型电流扩展层和导电增强层的面向电化学剥离的深紫外LED外延结构和MOCVD生长,获得了(002)、(102)面半宽为237 arcsec、287 arcsec,位错密度低至3.3×108 cm-2的高质量深紫外LED外延。④掌握了偏置电压和电解液条件对薄膜腐蚀的影响规律,探索出隔离沟槽实现器件级AlGaN基深紫外LED外延的剥离方法,获得了器件级剥离的深紫外LED薄膜。⑤掌握了硅基衬底上键合氮化物LED外延的新工艺,探索了Si原子和O原子扩散运动实现界面高效粘接机制,探索了金属衬底上深紫外LED外延的键合工艺,实现了器件级深紫外LED器件的剥离,研究了深紫外LED的光偏振特性,获得了发光偏振度为46%的高性能深紫外LED器件。经过项目的研究,器件级AlGaN基深紫外LED电化学剥离的成功探索,并为制备高效率的深紫外LED提供了新的技术路径。
基于界面修饰路径的p型AlGaN三维超晶格能级耦合及微通道输运调控
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