単一チップ集積フォト倍増変換器の半導体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、光倍増増幅機能を実現し、21.6%の国際最高電気光学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。室温光励起下のピーク波長が249 nmの横電気モード（TE）の励起現象を実現しました。閾値電力密度は190 kW/cmです。²。

長期以来、半導体の深紫外LED技術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、商業化応用の初級段階では進められなくなり、省エネ、環境保護、携帯、寿命が長いです。医療用の光治療、殺菌消毒、空気浄化、機密通信、ガス検査の市場潜在力は広く利用できます。

これに対して、日本理化学研究所のH.Hrayama研究チーム、ドイツベルリン工科大学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国際問題を解決しました。

単一チップ集積技術は、2つ以上のデバイスまたは機能構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。本質的には、このシステムレベルの革新は、新しいデバイス環境を構築し、「オンチップシステム」を実現することができる。陳長清、戴江南研究チームは単片集積技術を導入する新しい構想を提案し、p-i-n窒化ガリウム探査構造を深紫外LEDエピ構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査と探索を通じて、p-i-nのプローブ構造を深紫LEDチップに革新的に応用し、量子井戸活性領域から発射された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，従来の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、その光出力は指数的に増加する。

A点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。従来の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の電気光学変換効率（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構を明らかにした。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モードの閾値電場（2.4 ~ 2.8×10⁶ V/cm）であるため、空乏層に衝突イオン化が発生し、数十〜百倍の高い利得が得られ、それによって正孔キャリアの数段の向上が実現される。

全光循環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脱出し，他の部分の光子がMPC構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励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，正孔は空乏領域の強い電場の作用下で分離した。衝突イオン化が起こり，複数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。