河北工业大学和山西中科潞安紫外光电科技有限公司报道了利用自组装镍(Ni)nm粒子提高不含吸收紫外光的氮化镓(GaN)的深紫外(DUV，波长小于300nm)发光二极管(LED)的性能。

　　目前开发的DUV LED用途广泛，如消毒、空气/水净化、室内植物生长和光疗。目前，紫外光大多使用汞灯产生，汞灯体积大、效率低、寿命短，并且在破裂时会释放有毒气体。故此希望LED的成功开发能解决这些缺点。目前，氮化铝DUV LED在280nm波长下的效率不到20%。

　　P型氮化镓通常用作由氮化铝镓(AlGaN)合金制成的的空穴注入器。使用p-AlGaN触点的替代方法虽然空穴注入效率较低，但对的透明度更高。这种无p-GaN的已经实现，人们开始广泛探索如何提高构成整体能效的各种效率。

　　该方案可降低芯片温度，从而提高性能

　　河北研究人员的器件结构中加入了nm镍粒子(Device Ni)，从而改善了发光二极管p侧金属与AlGaN之间的接触电阻，并通过降低AlGaN和发光二极管其他材料与空气之间的高折射率对比所产生的全内反射，提高了光提取效率。这两个因素都降低了芯片温度，从而提高了性能。

　　研究小组解释说："我们认为有两个因素导致了器件镍的芯片温度降低。首先，nm粒子阵列使更多的光子散射出器件。因此，器件吸收的光子更少，产生的热量也更少。其次，正如之前所讨论的，镍nm粒子的存在降低了器件镍的欧姆接触电阻，从而减少了相同电流条件下的发热量，从而改善了自加热效果。"

图1：用于DUV LED的MOCVD外延结构。

　　DUV LED的材料是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在c平面蓝宝石上生长出来的(图1)。研究人员将这种材料加工成两种器件类型：一种是参考器件，另一种是用镍nm粒子增强的器件(图2)。

　　这两种器件共有的第一个制造步骤是用电感耦合等离子体蚀刻介质，然后沉积和退火钛/铝/钛/金(Ti/Al/Ti/Au)作为正电极。

图2：镍nm粒子器件和参考器件的工艺流程图。

　　参考器件是通过沉积和退火镍/金/镍/金(Ni/Au/Ni/Au)作为对电极，然后蒸发厚铝层作为接触垫来完成的。

　　镍器件工艺在这些最后步骤之前首先沉积2nm镍，然后在600°C的氮气中退火2分钟，形成镍nm颗粒。原子力显微镜(AFM)显示，nm颗粒平均高75nm，直径300nm，填充因子约为50%。

　　经过这些工序后，蓝宝石衬底被减薄至250微米，以便进行芯片单一化和封装处理。

　　镍nm粒子的作用之一是缓解热应力

　　在电气测试中，研究人员发现镍nm粒子层降低了pAlGaN和NiAu电极之间的接触电阻，从而在给定正向电压的情况下能向器件注入更高的电流：在相同注入电流的情况下，100mA的电压为6V，而参考器件的电压为7V。

　　研究人员认为，镍nm粒子的作用之一是缓解热应力，使后续镍层不会形成簇。如果没有nm粒子，第一层镍层就会在退火过程中形成团块，暴露出上覆金薄膜的部分，然后与对铝镓氮接触。

　　研究人员评论道"金/对铝镓氮界面很难形成欧姆接触。我们推断，在NiAu/p-AlGaN之间嵌入镍nm粒子后，热应力可以得到有效缓解。因此，镍nm颗粒上的镍金层将保持完整，不会转移成团。因此，p-AlGaN在退火后仍被一层镍膜完全覆盖，这有利于器件镍的出色的p型欧姆接触"。

图3：(a)镍器件和参考器件的光功率和壁插效率(WPE)与注入电流的关系。(b)峰值波长与注入电流的关系。

　　采用镍nm颗粒的DUV LED在200mA注入电流下的光输出功率达到18mW，而参考器件为15.6mW(图3)。研究小组评论道"尽管镍对紫外光的吸收率很高，但镍nm粒子也可以作为散射中心，从而提高光功率"。

　　随着注入电流的增加，这两种设备都会出现光输出功率从增加到减少的'翻滚'现象。研究人员将其归咎于自加热，因为自加热会降低内部量子效率(IQE)。在镍nm粒子LED中，输出功率的峰值出现在更高的电流下，这表明与参考器件相比，自热效应有所降低。与参照物相比，自热效应减弱的进一步表现是，随着电流的增大，波长红移减弱，给定电流下的波长变短。在200mA电流下，镍器件的壁插效率(WPE)为1.3%，而参照物为1%。

　　研究人员还对镍和参考器件结构进行了二维有限差分时域(2D FDTD)模拟，结果表明，如果将镍nm粒子直径减小到120nm，周期为600nm，降低填充因子，光萃取效率就会提高。

　　研究小组还报告了长达170小时的寿命研究。镍器件的光输出功率衰减较慢。自热的减少导致芯片温度降低，从而延长了使用寿命。

编辑：严志祥