An Ultra-thin Vertical Deep Ultraviolet LED Realized by Epilayer Transfer

YAN Jiabin; SUN Zhihang; FANG Li; WANG Linning; WANG Yongjin

doi:10.37188/CJL.20220305

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An Ultra-thin Vertical Deep Ultraviolet LED Realized by Epilayer Transfer

Device Fabrication and Physics | 更新时间：2026-09-12

- An Ultra-thin Vertical Deep Ultraviolet LED Realized by Epilayer Transfer
  增强出版
- Chinese Journal of Luminescence Vol. 44, Issue 2, Pages: 321-327(2023)
- 作者机构：
  
  南京邮电大学彼得·格林贝格尔研究中心，江苏南京　210003
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  the National Natural Science Foundation of China(62004103);the Natural Science Foundation of Jiangsu Province(20KJB510019);the Foundation of Jiangsu Provincial Double-Innovation Doctor Program(CZ002SC20021)
- DOI：10.37188/CJL.20220305
  CLC： TN383
- Received：24 August 2022，
  
  Revised：2022-09-10，
  
  Published：05 February 2023
- 稿件说明：
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严嘉彬,孙志航,房力等.基于外延层转移的超薄垂直结构深紫外LED[J].发光学报,2023,44(02):321-327.

YAN Jiabin,SUN Zhihang,FANG Li,et al.An Ultra-thin Vertical Deep Ultraviolet LED Realized by Epilayer Transfer[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(02):321-327.
严嘉彬,孙志航,房力等.基于外延层转移的超薄垂直结构深紫外LED[J].发光学报,2023,44(02):321-327. DOI： 10.37188/CJL.20220305.

YAN Jiabin,SUN Zhihang,FANG Li,et al.An Ultra-thin Vertical Deep Ultraviolet LED Realized by Epilayer Transfer[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(02):321-327. DOI： 10.37188/CJL.20220305.

摘要

AlGaN 基深紫外（Deep ultraviolet，DUV）发光二极管（Light⁃emitting diode，LED）可用于杀菌、水体净化、光疗、固化、传感和非视距通信等场合，在生物、环境、工业、医疗和军事等领域具有广阔的应用前景。针对现阶段 DUV LED 外量子效率较低的问题，本文提出了一种超薄垂直结构的 DUV LED 方案。该方案基于蓝宝石‐硅晶圆键合和物理减薄工艺实现了高质量 DUV LED 外延层从蓝宝石衬底到高导热硅基板的转移，并采用转移后亚微米厚度的超薄外延层制备出垂直结构的 AlGaN DUV LED。器件的出光面在减薄工艺后无需特殊的化学处理便可实现纳米级的粗化，配合超薄外延层结构具备显著的失谐微腔效应，有助于破坏高阶波导模式，从而增加 TM 波的出光并提升器件的出光效率。测试表明，转移后的外延层厚度约为 710 nm，制备出的 DUV LED 发光光谱峰值波长约为 271 nm。该垂直结构 DUV LED 制备方案为实现高效 DUV 光源提供了可行路径。

Abstract

AlGaN-based deep ultraviolet（DUV） light-emitting diodes（LEDs） are deemed as the alternative of traditional mercury lamp used for sterilization， water purification， phototherapy， polymer curing， sensing， and non-line-of-sight communication， which own broad application prospects in biological， environmental， industrial， medical， and military fields. To improve the low external quantum efficiency of DUV LEDs， this work proposes a DUV LED scheme with ultra-thin vertical structure. Based on the sapphire-silicon wafer bonding and physical thinning processes， high-quality DUV LED epitaxial layers are transferred from sapphire substrate to high thermal conductivity silicon substrate. Subsequently the fabrication of DUV LED is successfully realized using the ultra-thin epitaxial layers. The light-emitting surface of the device can be roughened at the nanometer level without special chemical treatment after the thinning process. The combination of rough surface and ultra-thin epitaxial layers have serious detuned micro-cavity effect， which helps to destroy the high-order waveguide mode， thereby increasing the light extraction efficiency. The measured thickness of the epitaxial layers after transfer is about 710 nm. The peak wavelength of the fabricated DUV LED electroluminescent spectrum is about 271 nm. The vertical DUV LED fabrication scheme provides a feasible path for realizing a high-efficiency DUV light source.

关键词

Keywords

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王军喜，闫建昌，郭亚楠，等 . 氮化物深紫外LED研究新进展［J］. 中国科学：物理学力学天文学， 2015 ， 45 （ 6 ）： 067303-1-20 . doi: 10.1360/sspma2015-00026 http://dx.doi.org/10.1360/sspma2015-00026

WANG J X ， YAN J C ， GUO Y N ， et al . Recent progress of research on Ⅲ-nitride deep ultraviolet light-emiting diode ［J］. Sci. Sinica Phys. Mech. Astron. ， 2015 ， 45 （ 6 ）： 067303-1-20 . （in Chinese） . doi: 10.1360/sspma2015-00026 http://dx.doi.org/10.1360/sspma2015-00026

KNEISSL M ， SEONG T Y ， HAN J ， et al . The emergence and prospects of deep-ultraviolet light-emitting diode technologies ［J］. Nat. Photonics ， 2019 ， 13 （ 4 ）： 233 - 244 . doi: 10.1038/s41566-019-0359-9 http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0359-9

KNEISSL M ， KOLBE T ， CHUA C ， et al . Advances in group Ⅲ-nitride-based deep UV light-emitting diode technology ［J］. Semicond. Sci. Technol. ， 2011 ， 26 （ 1 ）： 014036-1-6 . doi: 10.1088/0268-1242/26/1/014036 http://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/26/1/014036

彭洋，陈明祥，罗小兵 . 深紫外LED封装技术现状与展望［J］. 发光学报， 2021 ， 42 （ 4 ）： 542 - 559 . doi: 10.37188/CJL.20200394 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200394

PENG Y ， CHEN M X ， LUO X B . Status and perspectives of deep ultraviolet LED packaging technology ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2021 ， 42 （ 4 ）： 542 - 559 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20200394 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200394

郭亮，郭亚楠，羊建坤，等 . 量子垒高度对深紫外LED调制带宽的影响［J］. 发光学报， 2022 ， 43 （ 1 ）： 1 - 7 . doi: 10.37188/CJL.20210331 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20210331

GUO L ， GUO Y N ， YANG J K ， et al . Effect of barrier height on modulation characteristics of AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2022 ， 43 （ 1 ）： 1 - 7 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20210331 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20210331

TAKANO T ， MINO T ， SAKAI J ， et al . Deep-ultraviolet light-emitting diodes with external quantum efficiency higher than 20% at 275 nm achieved by improving light-extraction efficiency ［J］. Appl. Phys. Express ， 2017 ， 10 （ 3 ）： 031002-1-4 . doi: 10.7567/apex.10.031002 http://dx.doi.org/10.7567/apex.10.031002

LI D B ， JIANG K ， SUN X J ， et al . AlGaN photonics： recent advances in materials and ultraviolet devices ［J］. Adv. Opt. Photonics ， 2018 ， 10 （ 1 ）： 43 - 110 . doi: 10.1364/aop.10.000043 http://dx.doi.org/10.1364/aop.10.000043

LANG J ， XU F J ， GE W K ， et al . High performance of AlGaN deep-ultraviolet light emitting diodes due to improved vertical carrier transport by delta-accelerating quantum barriers ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 2019 ， 114 （ 17 ）： 172105-1-5 . doi: 10.1063/1.5093160 http://dx.doi.org/10.1063/1.5093160

吴峰，戴江南，陈长清 . AlGaN基深紫外发光二极管研究进展［J］. 人工晶体学报， 2020 ， 49 （ 11 ）： 2079 - 2097 . doi: 10.3969/j.issn.1000-985X.2020.11.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-985X.2020.11.010

WU F ， DAI J N ， CHEN C Q . Research progress of AlGaN based deep ultraviolet light emitting diodes ［J］. J. Synth. Cryst. ， 2020 ， 49 （ 11 ）： 2079 - 2097 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-985X.2020.11.010 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-985X.2020.11.010

RYU H Y ， CHOI I G ， CHOI H S ， et al . Investigation of light extraction efficiency in AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes ［J］. Appl. Phys. Express ， 2013 ， 6 （ 6 ）： 062101-1-4 . doi: 10.7567/apex.6.062101 http://dx.doi.org/10.7567/apex.6.062101

SAIFADDIN B K ， ALMOGBEL A S ， ZOLLNER C J ， et al . AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes grown on SiC substrates ［J］. ACS Photonics ， 2020 ， 7 （ 3 ）： 554 - 561 . doi: 10.1021/acsphotonics.9b00600 http://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.9b00600

ZHANG W ， NIKIFOROV A Y ， THOMIDIS C ， et al . Molecular beam epitaxy growth of AlGaN quantum wells on 6H-SiC substrates with high internal quantum efficiency ［J］. J. Vac. Sci. Technol. B ， 2012 ， 30 （ 2 ）： 02B119 - 1 - 5 . doi: 10.1116/1.3678208 http://dx.doi.org/10.1116/1.3678208

MOE C G ， MASUI H ， SCHMIDT M C ， et al . Milliwatt power deep ultraviolet light emitting diodes grown on silicon carbide ［J］. Jpn. J. Appl. Phys. ， 2005 ， 44 （ 4L ）： L502 - L504 . doi: 10.1143/jjap.44.l502 http://dx.doi.org/10.1143/jjap.44.l502

ADIVARAHAN V ， HEIDARI A ， ZHANG B ， et al . Vertical injection thin film deep ultraviolet light emitting diodes with AlGaN multiple-quantum wells active region ［J］. Appl. Phys. Express ， 2009 ， 2 （ 9 ）： 092102-1-3 . doi: 10.1143/apex.2.092102 http://dx.doi.org/10.1143/apex.2.092102

TAKEUCHI M ， MAEGAWA T ， SHIMIZU H ， et al . AlN/AlGaN short-period superlattice sacrificial layers in laser lift-off for vertical-type AlGaN-based deep ultraviolet light emitting diodes ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 2009 ， 94 （ 6 ）： 061117-1-3 . doi: 10.1063/1.3081060 http://dx.doi.org/10.1063/1.3081060

KAEDING J F ， WU Y ， FUJII T ， et al . Growth and laser-assisted liftoff of low dislocation density AlN thin films for deep-UV light-emitting diodes ［J］. J. Cryst. Growth ， 2004 ， 272 （ 1-4 ）： 257 - 263 . doi: 10.1016/j.jcrysgro.2004.08.132 http://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.08.132

INOUE S I ， TAMARI N ， TANIGUCHI M . 150 mW deep-ultraviolet light-emitting diodes with large-area AlN nanophotonic light-extraction structure emitting at 265 nm ［J］. Appl. Phys. Lett. ， 2017 ， 110 （ 14 ）： 141106-1-5 . doi: 10.1063/1.4978855 http://dx.doi.org/10.1063/1.4978855

SUNG Y J ， KIM M S ， KIM H ， et al . Light extraction enhancement of AlGaN-based vertical type deep-ultraviolet light-emitting-diodes by using highly reflective ITO/Al electrode and surface roughening ［J］. Opt. Express ， 2019 ， 27 （ 21 ）： 29930 - 29937 . doi: 10.1364/oe.27.029930 http://dx.doi.org/10.1364/oe.27.029930

LACHAB M ， ASIF F ， ZHANG B ， et al . Enhancement of light extraction efficiency in sub-300 nm nitride thin-film flip-chip light-emitting diodes ［J］. Solid‐State Electron. ， 2013 ， 89 ： 156 - 160 . doi: 10.1016/j.sse.2013.07.010 http://dx.doi.org/10.1016/j.sse.2013.07.010

ZHU C Y ， FENG L F ， WANG C D ， et al . Negative capacitance in light-emitting devices ［J］. Solid‐State Electron. ， 2009 ， 53 （ 3 ）： 324 - 328 . doi: 10.1016/j.sse.2009.01.002 http://dx.doi.org/10.1016/j.sse.2009.01.002

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