単一チップ集積フォト倍増変換器の半導(dǎo)體深紫外発光ダイオードチップ

陳長清、戴江南研究開発チームは初めてp-i-nの探査構(gòu)造片を深紫外LEDチップに集積し、キャリアサイクル注入、光倍増増幅機(jī)能を?qū)g現(xiàn)し、21.6%の國際最高電気光學(xué)変換効率値を獲得しました。

最新深紫レーザー

陳長清、戴江南研究開発チームは初めて超薄AlN/GaN多量子井戸を深紫外レーザのアクティブエリアとして採用しました。室溫光勵起下のピーク波長が249 nmの橫電気モード（TE）の勵起現(xiàn)象を?qū)g現(xiàn)しました。閾値電力密度は190 kW/cmです。²。

長期以來、半導(dǎo)體の深紫外LED技術(shù)は広く注目されていますが、光電変換効率はいつも10%を突破できないので、商業(yè)化応用の初級段階では進(jìn)められなくなり、省エネ、環(huán)境保護(hù)、攜帯、壽命が長いです。醫(yī)療用の光治療、殺菌消毒、空気浄化、機(jī)密通信、ガス検査の市場潛在力は広く利用できます。

これに対して、日本理化學(xué)研究所のH.Hrayama研究チーム、ドイツベルリン工科大學(xué)C.Kuhn研究チームは、電子障壁で電子の漏洩を抑制し、P型アルミニウムガリウム窒素層の代わりにトンネリングを使用して正孔注入効率を高めるなど、様々な方法を次々に提案していますが、いずれもブレークスルーの進(jìn)展はありません。

陳長清、戴江南チームは今回の研究開発成果でこの國際問題を解決しました。

単一チップ集積技術(shù)は、2つ以上のデバイスまたは機(jī)能構(gòu)造を単一チップに集積し、それらの間の相互作用を利用してデバイスの性能を向上させるものである。本質(zhì)的には、このシステムレベルの革新は、新しいデバイス環(huán)境を構(gòu)築し、「オンチップシステム」を?qū)g現(xiàn)することができる。陳長清、戴江南研究チームは単片集積技術(shù)を?qū)毪工胄陇筏?gòu)想を提案し、p-i-n窒化ガリウム探査構(gòu)造を深紫外LEDエピ構(gòu)造にその場成長させました。

陳長清、戴江南チームは長時間の調(diào)査と探索を通じて、p-i-nのプローブ構(gòu)造を深紫LEDチップに革新的に応用し、量子井戸活性領(lǐng)域から発射された280 nm以下の深紫外光を吸収し、新しい電子正孔対に変換することができます。印加高電圧の影響で発生した電子正孔対は分離し，正孔キャリアは電場下で量子井戸方向にドリフトし，量子井戸に再注入した。

研究により，従來のDUV LEDチップは電流駆動の動作モードであり，その出光パワーは直線的に増加することが分かった。これとは違って、MPC-DTV LEDチップは電圧駆動動作モードであり、その光出力は指數(shù)的に増加する。

A點に対応するスペクトル積分はその真のパワーを33.0μWとした。従來のDUV LEDの動作電圧と電流はそれぞれ4.88 Vと1.87 mAであるのに対し、MPC-DTV LEDの動作電圧と電流はそれぞれ19.5 Vと7.85μAであり、2つのDUV LEDの電気光學(xué)変換効率（光出力／注入の電力）はそれぞれ0.36%と21.6%で60倍の差がある。

研究はさらに，小電流下のMPC?DTV LEDチップが超高変換効率を得る機(jī)構(gòu)を明らかにした。APSYSシミュレーションにより計算したところ，i-GaN層における電場は5×10に達(dá)することができた。⁶ V/cm，窒化ガリウム材料中のガイガーパターンの閾値電場（2.4 ~ 2.8×10⁶ V/cm），したがって、空乏層中で衝突イオン化が発生する確率が極めて高く、數(shù)十乃至數(shù)百倍の高い利得が得られ、それによって正孔キャリアの數(shù)段の向上が実現(xiàn)される。

全光循環(huán)の過程で量子井戸中の電子と正孔が複合発光し，一部の深い紫外光子が素子の底から脫出し，他の部分の光子がMPC構(gòu)造に入って吸収され，高エネルギーの深い紫外光子が窒化ガリウム材料を勵起して対応する電子空洞対を生成し，印加電圧の場合に分離が発生し，正孔は空乏領(lǐng)域の強(qiáng)い電場の作用下で分離した。衝突イオン化が起こり，複數(shù)倍にわたって量子井戸に再注入され，量子井戸の中原にある電子と新たな放射再結(jié)合が起こり，このようなサイクルは最終的にキャリア注入効率を大幅に向上させた。