紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法

摘 要紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件的出現(xiàn)，在各個(gè)行業(yè)得到廣泛的使用，為行業(yè)內(nèi)的制造和管理提供較大的便利。隨著技術(shù)的進(jìn)步，紫外線半導(dǎo)體發(fā)光器件在制造方法上得到全面的創(chuàng)新，新型的技術(shù)不斷的出現(xiàn)，制造方法方面也得到不斷的發(fā)展，為技術(shù)的進(jìn)步提供條件，因此應(yīng)該更加科學(xué)的對(duì)紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造費(fèi)方法進(jìn)行分析，掌握更加全面的制造方法，從而促進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)技術(shù)的發(fā)展提供更多可能。本文主要針對(duì)紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件以及制造方法進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】紫外半導(dǎo)體 發(fā)光器件 制造方法

半導(dǎo)體紫外光源在國(guó)防、環(huán)保、信息、能源技術(shù)方面得到全面的推廣，可見(jiàn)該材料的可以是一種可以在各個(gè)行業(yè)使用的技術(shù)，促進(jìn)行業(yè)內(nèi)的進(jìn)步與發(fā)展。紫外線半導(dǎo)體發(fā)光器件在使用中可以更加科學(xué)的提升行業(yè)內(nèi)管理方式和管理技術(shù)的創(chuàng)新，更好的支配世界市場(chǎng)。目前世界各個(gè)國(guó)家都在進(jìn)行紫外線半導(dǎo)體發(fā)光器件的研發(fā)，美國(guó)的發(fā)恐怖生化襲擊、日本的紫外線光源照明等，這些新型項(xiàng)目的研發(fā)是都依賴紫外性光源技術(shù)，并且在管理中得到較大程度的進(jìn)步，因此我國(guó)也需要對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，全面提升技術(shù)水平，促進(jìn)該技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用推廣。

1 紫外半導(dǎo)體發(fā)光材料的發(fā)展進(jìn)程

紫外半導(dǎo)體發(fā)光材料最早出現(xiàn)在十九世紀(jì)三十年代，法國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硫化鋅熒光體粉末進(jìn)入到油性溶液中就會(huì)出現(xiàn)兩塊電極交流電壓的發(fā)光情況，從而替代原本的照明，形成新的發(fā)光材料。而上世紀(jì)六十年代美國(guó)率先引入了無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，并將CaAsP這類材料使用到發(fā)光器件中，從而促進(jìn)紫外半導(dǎo)體法發(fā)光器件的發(fā)展，應(yīng)用范圍得到全面的延伸，提升了設(shè)備的使用質(zhì)量。日本對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)光材料的研究也是較為先進(jìn)的，在美國(guó)技術(shù)基礎(chǔ)上使用一種小于電子自由程的低維材料，并將其制成超晶格和量子阱，使得紫外半導(dǎo)體發(fā)光材料可以向著縱深角度發(fā)展，使用到更加微小的器件中，全面的提升發(fā)光材料的應(yīng)用范圍。

以半導(dǎo)體超晶和量子阱為代表的低維半導(dǎo)體出現(xiàn)之后，新型凝聚態(tài)發(fā)光材料成為整體研究中的重點(diǎn)，日本日亞公司最先研制出發(fā)射藍(lán)光的氮化鎵二極管，這種二極管可以形成藍(lán)光，在一些標(biāo)志性的位置中使用提升可觀察范圍。豐田公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，在其中混入特殊材料，形成紫色發(fā)光二極管，使得波長(zhǎng)得到延伸，達(dá)到380nm，并且現(xiàn)階段的照明工程中，對(duì)技術(shù)進(jìn)行更加全面的研究，發(fā)展UV LEDS為基礎(chǔ)的固體發(fā)白光器件，這樣可以全面的減少照明用電上的消耗，全面提升資源的使用質(zhì)量。我國(guó)在紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件及其制造方法方面也進(jìn)行了創(chuàng)新，在紫外發(fā)光二極管和激光器方面研究取得較大的進(jìn)展，從而全面的提升技術(shù)能力。

2 紫外半導(dǎo)體發(fā)光材料制備原理

紫外發(fā)光二極管是指能發(fā)出近紫外光的一種發(fā)光二極管（LED）。它的發(fā)光原理同普通發(fā)光二極管一樣。紫外半導(dǎo)體發(fā)光二極管在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)和軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，目前這種材料的內(nèi)量子效率雖然可達(dá)到80%，但外量子效率只有3%左右。如今，基于壓電光電子學(xué)效應(yīng)，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院講席教授王中林課題組發(fā)明了一種新型高效紫外半導(dǎo)體發(fā)光二極管，在合適應(yīng)用作用下外量子效率可達(dá)到7.82%，其光發(fā)射強(qiáng)度、注入電流能力和電-光轉(zhuǎn)換。

紫外發(fā)光二極管是在人們不斷的了解半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究的，基本結(jié)構(gòu)是致電材料的半導(dǎo)體，將其放置在有引線的架子上，并在周圍使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行密封，對(duì)內(nèi)芯進(jìn)行保護(hù)，在戶外使用可以起到良好的保護(hù)作用，防止野外環(huán)境對(duì)設(shè)備的傷害。紫外半導(dǎo)體發(fā)光材料的核心器件為P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成晶片，并且這兩中之間存在一個(gè)過(guò)渡層，稱為pn結(jié)，在其中注入少量的載流子和多數(shù)再載流子復(fù)合時(shí)就會(huì)出現(xiàn)光能，并將其釋放出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)電能和光能之間的合理轉(zhuǎn)化。

3 紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件應(yīng)用

3.1 制造領(lǐng)域

紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件在不同的波長(zhǎng)下具有不同的應(yīng)用價(jià)值，因此使用范圍較為廣泛，其中在制造領(lǐng)域的應(yīng)用也也是較為明顯的，可以通過(guò)TiO2光源催化劑吸收波長(zhǎng)中紫外波段的情況，使用到汽車設(shè)計(jì)中，對(duì)汽車尾氣進(jìn)行處理，減少汽車尾氣對(duì)空氣的污染。同時(shí)還可以將該項(xiàng)技術(shù)使用工業(yè)污染處理中，通過(guò)不同的波長(zhǎng)對(duì)工業(yè)排水中的各種污染物進(jìn)行處理，減少水污染的排放，因此在制造業(yè)中得到較為廣泛的使用。

3.2 國(guó)防科技方面的使用

國(guó)防是國(guó)家先進(jìn)成果研發(fā)的重要領(lǐng)域，通過(guò)紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件的使用，可以將我國(guó)國(guó)防軍備技術(shù)進(jìn)行全面的提升，例如便攜式的紫外激光生物體驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備，可以在生化戰(zhàn)爭(zhēng)中檢測(cè)空氣中的生化細(xì)菌分布情況，減少傷亡的出現(xiàn)。而且紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件可以在軍隊(duì)的隱蔽戰(zhàn)術(shù)通訊方面進(jìn)行使用，通過(guò)不同波長(zhǎng)的變化，使得通訊質(zhì)量得到提升，并且具有較強(qiáng)的抗干擾性，不容易被偵查，在戰(zhàn)爭(zhēng)中可以更加安全的傳輸軍事情報(bào)。例如美國(guó)國(guó)防部研制的280-340nm光譜二極管，就體積小并與攜帶，非常適合城市作戰(zhàn)計(jì)劃。

3.3 信息技術(shù)領(lǐng)域使用

信息技術(shù)中使用紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件可以實(shí)現(xiàn)信息領(lǐng)域結(jié)構(gòu)的緊湊和耗能的降低，并且可以實(shí)現(xiàn)大容量的存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)高密度光盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)質(zhì)量的提升。我國(guó)目前來(lái)講使用的光盤多為發(fā)射波長(zhǎng)在780nm的ALxGa1-xAS激光器這種激光器在使用中的存儲(chǔ)內(nèi)容較小，因此進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，采用340nm的UV半導(dǎo)體激光器，全面的提升光盤的播放效果，擴(kuò)大光盤的存儲(chǔ)空間，提升光盤播放的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步。

3.4 能源領(lǐng)域的創(chuàng)新

紫外線是一種可以通過(guò)量子裁剪獲得各種波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，可以作為照明設(shè)備進(jìn)行使用，我國(guó)現(xiàn)有的發(fā)光設(shè)備主要包括LED與紫光LED兩種照明設(shè)備，但是新型的UV- LEDs這種新型的發(fā)光器件逐漸的興起，可以將紅綠藍(lán)三種LED線路結(jié)合起來(lái)，并且線路排列更加簡(jiǎn)單有效，三種顏色進(jìn)行混合形成白光，并且在耗能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，提升照明質(zhì)量。紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件發(fā)出的是冷光，因此在電能的消耗方面較為節(jié)省，是普通燈具的0.125%作用，并且因?yàn)榘l(fā)熱中不排放熱量，因此低于器件的傷害較少，可以減少器件的損傷，提升器件的使用壽命。endprint

4 紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件制造中存在的問(wèn)題以及改進(jìn)措施

4.1 存在的問(wèn)題

雖然紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件在使用中具有明顯優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行制設(shè)計(jì)制造的過(guò)程中，也存在一些問(wèn)題。半導(dǎo)體帶隙能量隨著AIGaN中鋁含量的提高而增加，但同時(shí)也減少了自由載流子數(shù)量。這樣就造成載流子數(shù)量的減少存生的電阻增加，使得器件在使用中出現(xiàn)發(fā)熱的情況，造成器件自身在使用中壽命縮短，嚴(yán)重影響器件的使用質(zhì)量，降低發(fā)光率。同時(shí)在進(jìn)行設(shè)計(jì)中AI的含量過(guò)高，使得大型器件p型摻雜著大量的困難，造成AIGaN基UVLEDs在正常的溫度下無(wú)法獲得UV發(fā)射，并在較高的AI含量中，無(wú)法進(jìn)行科學(xué)的空穴注入，造成使用受到一定的影響。

4.2 改進(jìn)建議

4.2.1 量子阱與超晶格

在進(jìn)行紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件的制造中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種生長(zhǎng)在藍(lán)寶石襯底下的一種新型的AIGoN基p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，這是深紫外LEDs到主要材料，可以將發(fā)射的波長(zhǎng)進(jìn)行擴(kuò)大，在208-340nm之間，對(duì)發(fā)光性能進(jìn)行全面的擴(kuò)展。具體措施包括：使用AIN緩沖層和脈沖原子層外延的方法，從而形成新型的AIN/A10-sGao0-SN超晶格結(jié)構(gòu)，使原本的AlxGal-xN結(jié)構(gòu)中的位錯(cuò)密度金星街降低，這樣可以進(jìn)一步提升整體的器件質(zhì)量和密度，形成2?m厚n型AlxGal-xN結(jié)構(gòu)，降低電阻層發(fā)熱情況。其次，可以使用封片分裝的形式，減少因?yàn)榻y(tǒng)一封裝造成的器件內(nèi)部整體發(fā)熱的情況，防止器件內(nèi)部各項(xiàng)設(shè)備之間的相互影響，緩解器件的發(fā)熱情況。最后，在制造中加入p一AIGaN/p+-GaN異質(zhì)結(jié)壓，這樣可以將其中的Mg摻入造成設(shè)備能量消耗較高的問(wèn)題進(jìn)行緩解，全面的提升空穴情況下的注入效率，促進(jìn)P型歐姆接觸沉積模，減少因?yàn)閮?nèi)場(chǎng)新使載電子相互變化造成的器件之間的損害情況，提升發(fā)光質(zhì)量。

4.2.2 四元化合物的加入

四元化合物現(xiàn)階段來(lái)講是一種普及度逐漸提升的材料，適用性更強(qiáng)，可以使用在不同的設(shè)備中，并且?guī)逗途Ц癯?shù)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的變化，這樣可以改變AI含量，使之與AlxGal-xN晶格進(jìn)行匹配，提升材料的適應(yīng)性，防止晶格配合度不足造成的量子阱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂隙，影響整體發(fā)光質(zhì)量，造成發(fā)光器件出現(xiàn)毀壞的情況，無(wú)法正常使用。同時(shí)四元化合物InAIGaN的使用還可以增加量子阱的壓電場(chǎng)效應(yīng)，通過(guò)電子空穴對(duì)In進(jìn)行分離，這樣在分離區(qū)大量存在的In可以形成密閉空間，對(duì)非輻射復(fù)合進(jìn)行抑制，從而顯著的改善室溫對(duì)UV發(fā)射造成的影響，并形成較大的壓電場(chǎng)應(yīng)力，提升UV發(fā)射效率。研究表明，In的摻入可以顯著提升UV發(fā)射能力，并且隨著AI的增加，提升效果更加明顯，改善了傳統(tǒng)制造中Mg摻入對(duì)UV發(fā)射造成的影響，從而更加全面提升工作效率。

4.2.3 提升襯底材料的選取質(zhì)量

襯底材料采用的是藍(lán)寶石（a-A12O3）z，這種材料的形式較為多樣，呈現(xiàn)出GaN等不同的狀態(tài)，并且這些物質(zhì)作用在襯底上也具有不同的特性，如果襯底選取不當(dāng)可能造成微分電阻的出現(xiàn)，影響波長(zhǎng)，因此需要在制造中選擇更加匹配的沉底晶格，提升晶格品質(zhì)，促進(jìn)晶格整體質(zhì)量的提升?，F(xiàn)階段使用較多的是ZrB2這類外延生長(zhǎng)襯底材料，這種材料的晶格常數(shù)與GaN性質(zhì)相同，但是在膨脹系數(shù)上優(yōu)越性更強(qiáng)，并且作為一種金屬化合物，導(dǎo)電性方面的性能較好，可以直接作為電極使用，減少設(shè)備結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化管理步驟。

4.2.4 減少晶體錯(cuò)位研究

在使用藍(lán)寶石作為襯底的過(guò)程中，可能造成氮化物晶格常數(shù)失配，造成膨脹系數(shù)相差較大，使得制造中出現(xiàn)裂隙，因此需要對(duì)晶體錯(cuò)位問(wèn)題進(jìn)行分析，首先使用ELO材料的使用，減少TDD，將器件使用壽命進(jìn)行延長(zhǎng)，但是該技術(shù)在使用中需要進(jìn)行覆膜，并且在實(shí)際中進(jìn)行重復(fù)覆膜操作，對(duì)技術(shù)操作要求較高。其次，可以使用在主要層之間進(jìn)行過(guò)渡層添加的方法，根據(jù)過(guò)渡層生長(zhǎng)速度呈現(xiàn)梯度變化的情況，對(duì)晶體錯(cuò)位情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)晶體的調(diào)節(jié)，發(fā)揮Si的作用，全面的實(shí)現(xiàn)螺旋生長(zhǎng)小丘的出現(xiàn)，減少二軸應(yīng)力，進(jìn)一步體提升過(guò)渡層變速生長(zhǎng)質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

紫外半導(dǎo)體發(fā)光器件是技術(shù)的創(chuàng)新，產(chǎn)業(yè)化技術(shù)應(yīng)用及其巨大的市場(chǎng)潛力正在形成，可以進(jìn)一步提升照明技術(shù)的發(fā)展，并在各個(gè)行業(yè)之間進(jìn)行推廣，提升傳播質(zhì)量和整體速度。我國(guó)在進(jìn)行這項(xiàng)技術(shù)的研究中存在一定的滯后性，出現(xiàn)這種情況的原因是實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴，國(guó)內(nèi)有能力生長(zhǎng)UVLEDs芯片的實(shí)驗(yàn)室不多。因此需要對(duì)技術(shù)成果進(jìn)行更加科學(xué)的研究，加強(qiáng)投入力度，加大研發(fā)資金的投入，積極學(xué)習(xí)更加先進(jìn)的技術(shù)成果，對(duì)技術(shù)進(jìn)行革新，并在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行推廣，進(jìn)一步提升該技術(shù)的普及率，促進(jìn)技術(shù)的全面進(jìn)步。

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作者簡(jiǎn)介

李楊（1986-），女，湖北省潛江市人。碩士研究生。講師。研究方向?yàn)殡娮悠骷惏雽?dǎo)體發(fā)光器件方向。

作者單位

海南工商職業(yè)學(xué)院 海南省?？谑?570203endprint