深港微电子学院李携曦助理教授课题组在氮化镓基光电集成器件领域取得研究进展

2021-05-12 科研聚焦 浏览量：20634

近日，南方科技大学深港微电子学院李携曦助理教授课题组在氮化镓基光电集成器件领域取得研究进展，论文成果发表于《IEEE Electron Device Letters》、《Applied Optics》、《Optics Letters》、《Journal of Lightwave Technology》等期刊。

01 基于光子晶体蛋白石集成氮化镓芯片的微湿度传感器

本研究成果基于氮化镓芯片与硅蛋白石集成，提出了一种新型湿度传感器件。论文成果“Micro Humidity Sensor Based on a GaN Chip With Silica Opal”发表于《IEEE Electron Device Letters》，被选为该期的“Editor's Pick”，并被选为封面文章。论文共同第一作者是我系2018级本科生罗雨萌和2020级博士生喻彬璐。

湿度是工业制造、人类活动、医疗和化学加工等众多领域的一个关键参数。随着便携式传感设备的飞速发展，对反应快、灵敏度高、体积小、成本低的湿度传感器的需求正成为一个重要趋势。本论文通过在氮化镓芯片上集成光子晶体蛋白石薄膜，利用薄膜在湿度影响下的光谱变化，测量出了与湿度高度线性相关的光电流变化以及10%-90%的湿度测量范围，并将其放置在口罩上，验证了传感器的实时监测性。

02正装与倒装单片光电集成器件的性能对比

本研究提出单片绿光“发光二极管-光电探测器”（LED-PD）光电集成器件，并对正装与倒装封装方式的集成器件进行对比，论文成果“Performance of InGaN green light-emitting diodes with on-chip photodetectors based on wire-bonding and flip-chip configurations”发表于《Applied Optics》，被选为该期的“Editor's Pick”，并被选为封面文章。论文第一作者是我系2019级硕士生尹嘉豪。

本论文通过对正装与倒装封装方式的集成器件的电流-电压曲线，不同驱动电流下的光输出功率、光电流进行对比，发现倒装器件相比于正装器件具有更强的可靠性，以及更高的能量转换效率。在200mA下倒装器件光输出功率和光电流相比于正装结构分别提高37.7%和14.7%，并通过对两种封装方式下的高电流密度及长时间工作时的热效应进行对比，提出这种差异主要是由于不同的导热性能，从而产生能带变窄，光谱拓宽等次生效应所导致。

03用于垂直堆叠RGB 发光二极管的分布式布拉格反射镜的优化设计

本研究提出了具有分布式布拉格反射镜（distributed Bragg reflector， DBR）的颜色、亮度可调的垂直结构RGB发光器件，成果以“Vertically-Stacked RGB LEDs with Optimized Distributed Bragg Reflectors”为题发表在《Optics Letters》，并被选为封面文章。论文第一作者是华中科技大学访问硕士生金浩天。

垂直堆叠结构技术克服了平面结构下RGB 发光二极管颜色不均一、可视角度受限等问题，但之前关于垂直结构器件的研究都面临着由出光路径发散和各层材料吸收所导致的光损耗问题，限制了整体出光效率。面对这一问题，本研究根据DBR反射镜结构的反射和透射特性可控的特点，在传统的垂直结构中，针对性地设计并引入了两层能选择性反射和透射光线的DBR反射镜结构。与传统结构相比，具有优化的DBR结构的垂直结构RGB 发光二极管在3000-8000 K的色温下发光效率得到了1.6-7.4 %的提升。

04具有片上光电探测器的白光发光二极管

本研究提出、设计并制备了具有片上光电探测器的白光发光二极管(LED)，并对不同位置的探测器进行了对比研究，研究成果“On-Chip Integration of III-Nitride Flip-Chip Light-Emitting Diodes With Photodetectors”发表于《Journal of Lightwave Technology》上。该研究成果被Semiconductor Today专题报道。论文共同第一作者是华中科技大学访问硕士生李静和德国汉诺威大学访问硕士生邬剑安。

本研究设计并制备了四种具不同探测器位置结构的LED，研究其光电特性，发现与非居中的探测器相比，位于中心的探测器有最大的光电流，并且对LED的发光均匀性影响最小。在100 mA的工作电流下，位于中心的探测器光电流比位于边角的增加了33%，并且LED的驱动电流与光电流呈现线性。片上集成的探测器展示与外部硅基光电二极管相当的传感性能，并且对LED发光的影响更小，使其适用于在广泛的照明应用中实时检测LED光强变化。

李携曦为上述论文唯一通讯作者，南科大为论文第一通讯单位。以上研究还得到了南方科技大学深港微电子学院于洪宇教授、汪青研究副教授、华中科技大学吴懿平教授和深圳大学朱玲助理教授的支持。

相关论文列表：

J1) Y. Luo, B. Yu, L. Chen, and K. H. Li*, "Micro Humidity Sensor based on a GaN Chip with Silica Opal", IEEE Electron Device Letters 42. 743-746 (2021).

J2) J. Yin, L. Chen, Y. Luo, Q. Wang, H. Yu, and K. H. Li*, "Performance of InGaN green light-emitting diodes with on-chip photodetectors based on wire-bonding and flip-chip configurations", Applied Optics 60, 2599-2603 (2021)

J3) H. Jin, L. Chen, J. Li, X. An, Y. P. Wu, L. Zhu, H. Yi and K. H. Li*, "Vertically-Stacked RGB LEDs with Optimized Distributed Bragg Reflectors", Optics Letters 45, 6671-6674 (2020).

J4) J. Li，J. Wu，L. Chen，X. An，K. H. Li*, “On-chip Integration of III-Nitride Flip-Chip Light-Emitting Diodes with Photodetectors”, Journal of Lightwave Technology 39, 2603-2608 (2021).