南京大學(xué)莊喆：基于外延層殘余應(yīng)變調(diào)控的InGaN基紅光LED器件

III族氮化物半導(dǎo)體可用于固態(tài)照明、電源和射頻設(shè)備的節(jié)能。Micro-LED顯示器滿足各種場(chǎng)景，性能優(yōu)于OLED和LCD。與AlInGaP材料相比，InGaN更有利于紅色Micro-LED。基于C平面InGaN的紅色LED在幾種技術(shù)中仍然占主導(dǎo)地位。InGaN量子阱晶體質(zhì)量差導(dǎo)致效率降低。

近日，第九屆國(guó)際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）于廈門召開。期間，“Mini/Micro-LED及其他新型顯示技術(shù)”分會(huì)上，南京大學(xué)助理教授莊喆做了“基于外延層殘余應(yīng)變調(diào)控的InGaN基紅光LED器件”的主題報(bào)告，分享了最 新研究成果。涉及InGaN紅色LED外延生長(zhǎng)面臨的挑戰(zhàn)，InGaN基紅色LED的外延生長(zhǎng)策略、InGaN紅色量子阱生長(zhǎng)壓力的優(yōu)化，應(yīng)變調(diào)制，使GaN模板更厚、在β-Ga2O3襯底上選擇GaN、InGaN原位分解層（DL），PSS上厚GaN模板上的InGaN紅色LED，具有InGaN原位DL的InGaN紅色LED，屏障中不同Al含量的性能比較，不同芯片尺寸的InGaN紅色微型LED，PSS上高效的紅色I(xiàn)nGaN微發(fā)光二極管，InGaN紅色LED的溫度穩(wěn)定性等。

InGaN基發(fā)光二極管（LED）是藍(lán)綠光波段的高效光源，并在過去幾十年成功商業(yè)化。將其光譜范圍擴(kuò)展到紅色區(qū)域會(huì)導(dǎo)致InGaN基LED效率顯著降低。這種降低主要?dú)w因于高In含量的InGaN量子阱（QWs）的晶體質(zhì)量差，這是由于晶格失配和低生長(zhǎng)溫度所致。

其研究通過優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)條件來(lái)展示了紅色LEDs 及微型LEDs的改進(jìn)性能。InGaN基紅色LEDs是通過金屬有機(jī)氣相外延法在傳統(tǒng)的c面圖案化藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的。研究使用了升高生長(zhǎng)壓強(qiáng)從200到550Torr的方法將InGaN量子阱的發(fā)射波長(zhǎng)擴(kuò)展至黃紅光區(qū)域。這種方法獲得的4英寸外延片發(fā)光波長(zhǎng)具有很好的均勻性，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.3 nm。提出了一種原位InGaN分解層（DL）和多個(gè)GaN保護(hù)層的模板結(jié)構(gòu)，使用這種結(jié)構(gòu)可以使GaN模板的殘余應(yīng)變得到緩解，從而使峰值波長(zhǎng)平均紅移了15 nm。盡管插入分解層會(huì)使表面形貌略有惡化，但4英寸外延片上的發(fā)光波長(zhǎng)仍然保持均勻，標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.4 nm，同時(shí)，外量子效率（EQE）和插座效率（WPE）分別約為8.2％和7.2％。

研究還優(yōu)化了勢(shì)壘中的Al組分以進(jìn)行應(yīng)變補(bǔ)償。這是一種在實(shí)現(xiàn)具有高插座效率的InGaN紅色微型LEDs方面的權(quán)衡方法。較高的Al組分可以有助于提高銦并入，但會(huì)阻礙載流子注入而導(dǎo)致工作電壓升高。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微量的5％Al摻雜是實(shí)現(xiàn)1A/cm2下低電壓2.15V的最 佳方法，同時(shí)，直徑為10μm的微型LEDs的插座效率在1A/cm2下約為4％。此外，研究還使用光致發(fā)光和壽命分布情況來(lái)檢查微型LEDs中的側(cè)壁效應(yīng)。這些紅色I(xiàn)nGaN微型LEDs的結(jié)果表明了InGaN材料在未來(lái)全彩顯示應(yīng)用中的巨大潛力。

莊喆博士是南京大學(xué)蘇州校區(qū)集成電路學(xué)院助理教授。在2011年和2016年，他在南京大學(xué)先后獲得了物理學(xué)學(xué)士學(xué)位和電子科學(xué)與技術(shù)博士學(xué)位。他于2015年以訪問學(xué)者身份在謝菲爾德大學(xué)工作，于2019-2021年在阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)從事博士后研究工作。他的主要研究興趣是寬禁帶半導(dǎo)體材料及其光電子器件，特別是MOVPE生長(zhǎng)、微納加工、Micro-LED器件制備與集成。他已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)表50多篇SCI論文和申請(qǐng)/授權(quán)6項(xiàng)美國(guó)/PCT/中國(guó)專利，一些發(fā)表研究成果被選為高亮論文或編輯摘選論文。關(guān)于Micro-LED材料與器件的相關(guān)研究成果被《Semiconductor Today》和《Compound Semiconductor》等國(guó)際科技媒體報(bào)道超30次。