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可取代氮化镓(GaN)的蓝光半导体器件新技术

By 2020年06月18日 No Comments

 为了让采用半导体制成的LED显示全彩并实现白光,需要红、绿、蓝三原色LED芯片。然而,与上世纪50至60年代早已被开发出来的红光和绿光LED不同,尽管全世界做出了不懈努力,直到90年代,蓝光LED的研发进展仍然不顺利。这是因为实现蓝光LED的关键材料——氮化镓(GaN)的质量问题尚未得到解决。

 尽管如此,业界和学术界依然把目光集中在蓝光LED研发工作上,因为由红、绿、蓝三色LED制成的白光LED亮度比现有灯具高4到10倍。加之出色的能效,使用时间最长可达10万小时,是现有灯具的10至100倍。

 包括名城大学终身教授赤崎勇在内的三位日本科学家完成了对蓝色LED的研究。1992年,他们开发出能够制备高质量氮化镓薄膜的技术,以及可以利用该技术的p型掺杂技术,并首次成功实现蓝光LED的商业化。这项成就让他们在2014年获得诺贝尔物理学奖,此后日本在蓝光LED市场上保持了竞争优势。

 与此同时,韩国科学技术研究院(KIST)的研究团队开发出可取代蓝光LED半导体材料——氮化镓的新技术。研究团队将由铜(Cu)和碘(I)合成的碘化亚铜(CuI)半导体作为主材料,成功研发出卤化亚铜化合物半导体技术,确保了能够高效发射蓝光的器件技术。

为什么被视为下一代半导体材料的“氮化镓”需要替换?

 电子器件的硅材料若以氮化镓来取代,可以大大降低功耗,因此氮化镓作为超低功耗下一代半导体材料一直备受关注。再加上,氮化镓不仅可以在蓝色区域发光,而且可以在波长较短的紫外区域发光。

图1. 氮化镓的晶体结构及氮化镓半导体的主要特性

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 目前,氮化镓作为智能手机、显示器、电子产品和高频器件的核心材料,已在人们的生活中得到广泛应用。此外,由于信号切换(switching)速度快、能量损耗小,其应用范围正迅速扩展到高频高输出通信系统、汽车动力系统以及用于极端环境下的半导体。

 随着氮化镓晶片价格下降,以及在硅衬底上制备和生长氮化镓薄膜的技术日益升级,市场规模有望进一步扩大。过去因硅和氮化镓间的原子间距太大,必须在蓝宝石衬底上生长氮化镓薄膜,但最近研发出缩短硅和氮化镓之间的原子间距,可以直接在硅衬底上生长氮化镓薄膜且不损坏衬底的技术,从而降低了衬底成本。

图2. 美国氮化镓(GaN)半导体器件市场(以产品为准)1

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 然而,氮化镓也有一些缺点。首先,氮化镓价格昂贵,而且很难制作出高度集成电路。其次,由于镓(Ga)和氮(N)原子之间的内部静电场(electrostatic field)强,电子与空穴2间的激子结合能低,使得量子效率3也很低。第三,由于氮化镓与蓝宝石(Al₂O₃)或碳化硅(SiC)衬底的原子间距较大,在制备薄膜过程中会产生大量的缺陷,影响器件的寿命和性能。

 再加上,氮化镓很难掺杂成蓝光LED必需采用的p型半导体。掺杂(Doping)是在半导体晶体中掺入杂质来调节电阻特性的工艺。掺杂后,剩余空穴数多于电子数称为p型半导体,电子数多于空穴数称为n型半导体。由于氮化镓具有n型半导体特性,电子过多,因此很难将其掺杂形成p型半导体。

采用碘化亚铜研发出原始技术

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 KIST研究团队为了克服氮化镓的缺点,并开发出一种能取代它的半导体新技术,把目光放在了碘化亚铜上。学术界普遍认为周期表中包括碘在内的1-7族元素物质,因强烈的电磁相互作用导致原子间的结合力高,因此很难适用于半导体上。因为当原子间的结合力低时,电流才能流动。

 然而,这项新技术揭开了半导体材料技术研究的新篇章。有别于氮化镓,碘化亚铜内部静电场弱、键能高,因此将光信号转换成电信号的光电转换率也高。

图3. 通过透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)
观察的在硅衬底上生长的碘化亚铜薄膜截面

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 此外,由于碘化亚铜的晶体结构与硅相同,原子间距离也相似,因此可以在低价硅衬底上生长出缺陷较少的薄膜。碘化亚铜薄膜的生长温度也与硅器件加工温度相近(低于300摄氏度),因此可以应用于硅半导体工艺而且不引起劣化。

 碘化亚铜薄膜甚至还具有p型半导体特性。与不易被掺杂形成p型的n型半导体氮化镓相比,可以说是一大优势。研究团队利用这一特性,开发出结合n型铝镓氮化合物(AlGaN)和p型碘化亚铜的混合式LED,并成功发射出蓝光。

图4. “p型碘化亚铜/n型铝镓氮化合物混合式LED器件”结构

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图5. 混合式LED器件发出的蓝光。发出的蓝光波长为437nm,
表明碘化亚铜半导体发出的蓝光比氮化镓基LED器件的蓝光亮10倍,
而且还改善了光电转化效率和器件稳定性。

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 由于碘化亚铜具有较高的量子效率,可以制备出高性能、高可靠性的蓝色发光器件,因此可以考虑利用碘化亚铜来替代氮化物半导体来开发高效的光子器件。此外,由于碘化亚铜可以直接生长在大尺寸的硅衬底上,而且不需要高温薄膜生长工艺和设备,因此它的应用范围会更广泛,包括难以用氮化镓实现的微型显示器。

 研究团队为了增大发射波长,提高发光效率,目前正在研发由碘化亚铜和氯化铜合成的LED。而实现碘化亚铜薄膜商业化的关键在于提高碘化亚铜薄膜质量、优化批量生产工艺、开发相关设备等。

 随着这项技术的发展,有望在几年内实现碘化亚铜基半导体作为蓝光和紫外线光源材料的商业化生产。特别是作为一种替代氮化镓的发光半导体新材料,将发挥重要作用。

 

1资料来源:《氮化镓半导体器件市场规模、份额和趋势分析报告》(Grand view research,2018年)
2空穴是电子离开原来位置后留下的空位
3描述光电器件光电转换能力的重要参数

※ 以上内容纯属作者个人观点,不代表SK海力士立场。


半导体专栏作家撰写

韩国科学技术研究院(KIST)下一代半导体研究所所长張畯然

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