CINNO Research產業資訊，最近，有研究人員報告稱，僅使用單個氮化鋁（AlGaN）緩沖層將硅基綠色氮化銦鎵（InGaN）發光二極管（LED）的內部量子效率（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光結果，但這里提到的IQE的大幅度提升非常引人注意，因為它將能夠助力更低功耗綠色和紅色Micro-LED的制造和商業化。

   如業內所熟知，直接在硅基板上制造藍色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，在上述緩沖結構上生長的GaN層往往還是會留下一些殘余應力，這一應力殘余最終會阻礙銦元素摻入用于發射可見光的后續InGaN層。另一方面，對于更長的綠色和紅色光而言，起發光作用的InGaN層中需要的銦元素要比藍色光更多。

   在此背景下，來自中國科學技術大學、蘇州納米技術與納米離子研究所、廣東半導體微納制造技術研究所和蘇州樂金光電技術有限公司的合作團隊給出了新的方案。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，且價格昂貴，不利于批量低成本制造生產。相比較而言，硅基板的優勢巨大，它不僅具有較大的直徑尺寸，能夠實現低成本的大規模生產，而且還能夠更好的和驅動背板實現集成，因為目前絕大多數驅動系統都基于硅電子技術實現的。硅基驅動和發光元件的單片集成可以進一步降低電子系統的復雜性和成本。

   如下圖1所示，本研究所用外延材料是通過使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術在硅基板上生長的。研究人員對比處理了兩種不同設計的樣品，一個在AlN上使用傳統的階梯式AlGaN緩沖層，另一個在n-GaN接觸/緩沖/模板層之前僅使用一個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僅采用一個簡單的AlN單層緩沖層

   據研究人員介紹：“這項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，已用于大規模生產GaN-on-Si藍色LED，并顯示出高效率和高可靠性?！?/span>

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

   這里生長的LED疊層結構由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發光區又由三個2nm發藍色光的In0.12Ga0.88N/GaN預阱和五個2.5nm發綠色光的In0.25Ga0.75N/GaN阱組成，這兩個量子阱又被10nm 得GaN勢壘隔開。

   如圖2所示，微型光致發光（PL）分析結果顯示，樣品B的發光模式比樣品A更均勻。此外，與樣品A不同，樣品B的發光模式沒有明顯可見的暗點。對此，研究人員評論道：“微型光致發光圖像中的暗點，通常代表由InGaN MQW熱降解引起的非輻射復合中心?！?/span>

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）和陰極發光（CL）的進一步檢查顯示，樣品A和B的V位密度分別為7.0×108/cm2和2.0×109/cm2，這一數值與螺紋位錯值一致。實際上，V形位通常在螺紋位錯上形成。

   對此，該研究團隊評論道：“理論和實驗結果已經證實，側壁具有較薄QW的V型位可以產生勢壘并屏蔽螺紋位錯的影響，這有助于空穴注入并增強輻射復合，我們認為這是一種提高InGaN基LED發光效率的有效方法?！?/span>

   也就是說，較高的螺紋位錯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，在光學顯微鏡水平上顯示為黑斑，而樣品B的CL圖像上斑點分布更均勻，具有更好的光學形態。

   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幾乎沒有應變。樣品A中的壓應力估計達到0.37Gpa，而樣品B的應力約為0GPa。

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

   另外，高角度環形暗場（HAADF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像還顯示，由于殘余應變的存在，樣品A中的MQW結構相對于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用藍色和紅色矩形標記的有源MQW區域的放大圖像。

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

   另外，為了更深入地理解這一差異機制，研究人員還進行了時間分辨的PL研究，他們提取了快（τ1）和慢（τ2）壽命。據此測試結果，研究人員認為它反映了載流子從弱局域態到強局域態的轉移，其中緩慢的τ2衰變與局域態中的載流子復合有關。