研究人員使用單個(gè)AlGaN緩沖層開發(fā)出硅基綠色I(xiàn)nGaN LED

   CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，最近，有研究人員報(bào)告稱，僅使用單個(gè)氮化鋁（AlGaN）緩沖層將硅基綠色氮化銦鎵（InGaN）發(fā)光二極管（LED）的內(nèi)部量子效率（IQE）提高了78% [Ayu-Dai等人，Appl. Phys. Lett.，v125，p022102024]。盡管沒有具體提供該器件的電致發(fā)光結(jié)果，但這里提到的IQE的大幅度提升非常引人注意，因?yàn)樗鼘⒛軌蛑Ω凸木G色和紅色Micro-LED的制造和商業(yè)化。

   如業(yè)內(nèi)所熟知，直接在硅基板上制造藍(lán)色LED有很多問題，所以通常需要使用AlN成核層和一些分級AlGaN緩沖層來橋接硅和GaN之間的非常大的熱膨脹失配。不過即使這樣，隨著溫度從工藝所需高溫冷卻到室溫時(shí)，在上述緩沖結(jié)構(gòu)上生長的GaN層往往還是會(huì)留下一些殘余應(yīng)力，這一應(yīng)力殘余最終會(huì)阻礙銦元素?fù)饺胗糜诎l(fā)射可見光的后續(xù)InGaN層。另一方面，對于更長的綠色和紅色光而言，起發(fā)光作用的InGaN層中需要的銦元素要比藍(lán)色光更多。

   在此背景下，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、蘇州納米技術(shù)與納米離子研究所、廣東半導(dǎo)體微納制造技術(shù)研究所和蘇州樂金光電技術(shù)有限公司的合作團(tuán)隊(duì)給出了新的方案。對此，他們解釋道：“我們的研究成果表明，GaN-on-Si器件制造過程中合適的應(yīng)力管理，對于基于硅基晶圓制造InGaN長波長Micro-LED甚至全彩色微型顯示器至關(guān)重要。

   除了硅之外，市場上還有很多其他基板材料可用于制造LED芯片，但通常這些基板的尺寸都比較小，且價(jià)格昂貴，不利于批量低成本制造生產(chǎn)。相比較而言，硅基板的優(yōu)勢巨大，它不僅具有較大的直徑尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的大規(guī)模生產(chǎn)，而且還能夠更好的和驅(qū)動(dòng)背板實(shí)現(xiàn)集成，因?yàn)槟壳敖^大多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都基于硅電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。硅基驅(qū)動(dòng)和發(fā)光元件的單片集成可以進(jìn)一步降低電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

   如下圖1所示，本研究所用外延材料是通過使用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)在硅基板上生長的。研究人員對比處理了兩種不同設(shè)計(jì)的樣品，一個(gè)在AlN上使用傳統(tǒng)的階梯式AlGaN緩沖層，另一個(gè)在n-GaN接觸/緩沖/模板層之前僅使用一個(gè)AlN緩沖層。

圖1. 用于性能對比的、基于InGaN的綠色硅基LED方案：（a）樣品A采用Al成分分級的AlN/AlGaN多層緩沖層，（b）樣品B僅采用一個(gè)簡單的AlN單層緩沖層

   據(jù)研究人員介紹：“這項(xiàng)研究工作中用于制造GaN樣品A的Al成分分級AlN/AlGaN多層緩沖層是市售材料，已用于大規(guī)模生產(chǎn)GaN-on-Si藍(lán)色LED，并顯示出高效率和高可靠性。”

   研究人員對所制造樣品進(jìn)行了相關(guān)測試，X射線分析表明，樣品B中2μm GaN的螺紋位錯(cuò)（TD）密度高于樣品A：分別為2.5×109/cm2和9.0×108/cm2。接下來，研究人員將這兩個(gè)樣品共同放入MOCVD室中，并生長出更多的綠色I(xiàn)nGaN LED層。

   這里生長的LED疊層結(jié)構(gòu)由160nm In0.05Ga0.95N/GaN超晶格（SL）、多量子阱（MQW）、20nm電子阻擋層和35nm p-GaN接觸層共同組成。其中，MQW發(fā)光區(qū)又由三個(gè)2nm發(fā)藍(lán)色光的In0.12Ga0.88N/GaN預(yù)阱和五個(gè)2.5nm發(fā)綠色光的In0.25Ga0.75N/GaN阱組成，這兩個(gè)量子阱又被10nm 得GaN勢壘隔開。

   如圖2所示，微型光致發(fā)光（PL）分析結(jié)果顯示，樣品B的發(fā)光模式比樣品A更均勻。此外，與樣品A不同，樣品B的發(fā)光模式?jīng)]有明顯可見的暗點(diǎn)。對此，研究人員評論道：“微型光致發(fā)光圖像中的暗點(diǎn)，通常代表由InGaN MQW熱降解引起的非輻射復(fù)合中心。”

圖2. 樣品A（a）、（c）和（e）以及樣品B（b）、（d）和（f）的InGaN MQW的微型光致發(fā)光圖像、俯視SEM圖像和全色CL圖像對比

   使用掃描電子顯微鏡（SEM）和陰極發(fā)光（CL）的進(jìn)一步檢查顯示，樣品A和B的V位密度分別為7.0×108/cm2和2.0×109/cm2，這一數(shù)值與螺紋位錯(cuò)值一致。實(shí)際上，V形位通常在螺紋位錯(cuò)上形成。

   對此，該研究團(tuán)隊(duì)評論道：“理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，側(cè)壁具有較薄QW的V型位可以產(chǎn)生勢壘并屏蔽螺紋位錯(cuò)的影響，這有助于空穴注入并增強(qiáng)輻射復(fù)合，我們認(rèn)為這是一種提高InGaN基LED發(fā)光效率的有效方法。”

   也就是說，較高的螺紋位錯(cuò)密度并不一定就是壞事。上述CL圖像顯示，樣品A具有黑斑簇，在光學(xué)顯微鏡水平上顯示為黑斑，而樣品B的CL圖像上斑點(diǎn)分布更均勻，具有更好的光學(xué)形態(tài)。

   另一方面，PL光譜顯示，樣品B相對于樣品A具有更長的40nm紅移峰。拉曼光譜還表明，與樣品A不同，樣品B幾乎沒有應(yīng)變。樣品A中的壓應(yīng)力估計(jì)達(dá)到0.37Gpa，而樣品B的應(yīng)力約為0GPa。

   對此，研究人員評論道：“拉曼光譜的測試結(jié)果表明，GaN樣品B中使用的AlN單層緩沖層可以有效地釋放后續(xù)GaN各層的殘余壓應(yīng)力，這一方案有望通過減少GaN和InGaN之間的失配應(yīng)變，增加InGaN MQW的銦元素?fù)饺搿！?/span>

   另外，高角度環(huán)形暗場（HAADF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像還顯示，由于殘余應(yīng)變的存在，樣品A中的MQW結(jié)構(gòu)相對于B有所退化（如圖3所示）。

圖3：（a）樣品a和（b）樣品b的InGaN基LED材料的橫截面HAADF-STEM圖像，以及（c）樣品a、（d）樣品b用藍(lán)色和紅色矩形標(biāo)記的有源MQW區(qū)域的放大圖像。

   通過比較5K和300K下的PL發(fā)光強(qiáng)度，研究人員評估出樣品A和B的室溫內(nèi)部量子效率（IQE）分別為33%和78%。

   另外，為了更深入地理解這一差異機(jī)制，研究人員還進(jìn)行了時(shí)間分辨的PL研究，他們提取了快（τ1）和慢（τ2）壽命。據(jù)此測試結(jié)果，研究人員認(rèn)為它反映了載流子從弱局域態(tài)到強(qiáng)局域態(tài)的轉(zhuǎn)移，其中緩慢的τ2衰變與局域態(tài)中的載流子復(fù)合有關(guān)。