摘要：中国研究人员一直在探索提高蓝宝石基深紫外（UVC，100-280nm）发光二极管（LED）性能的策略，重点是用作氮化铝镓（AlGaN）器件材料基底的氮化铝模板层 [Xu Liu et al, IEEE Transactions On Electron Devi
中国研究人员一直在探索提高蓝宝石基深紫外（UVC，100-280nm）发光二极管（LED）性能的策略，重点是用作氮化铝镓（AlGaN）器件材料基底的氮化铝模板层 [Xu Liu et al, IEEE Transactions On Electron Devices, published online 11 February 2025]。
与生长在外延层过度生长（ELO）AlN/蓝宝石上的UVC LED相比，这一研究成果使外部量子效率（EQE）提高了71%。研究人员还报告称，272nm波长LED的外部量子效率比传统AlN缓冲模板上的器件高出近90%。短波长UVC能破坏DNA、RNA等维系生命的生化结构，从而杀死病原体。
由武汉大学、武汉市新型显示产业创新联合实验室和宁波安芯美半导体有限公司联合而成的研究团队报告称：“利用纳米层修饰、生长模式调控和掺铟方法，在蓝宝石衬底上实现了无裂纹、应变可控且具有原子级平滑度的AlN缓冲模板。”
研究人员认为，他们的工作有望改善可持续性和环保型杀菌辐照源。
图1：（a）AlN-I、（b）AlN-II和（c）AlN-III的外延结构。（d）AlN-III生长条件和（e）铟调控基本机制的示意图。
研究人员比较了通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在2英寸平面蓝宝石衬底（FSS）上制备AlN缓冲模板的三种策略（图1）。
第一种方法（AlN-I）采用1.33μm的外延层过度生长工艺，通过三维（3D）机制来减少后续材料生长层中的缺陷。二维聚结层为1.85μm。外延晶体生长的初始成核是通过MOCVD在原位进行的。
图2：（a）带有超晶格电子阻挡层（EBL）的UVC LED示意图。（b）带有不同厚度异位AlN溅射成核层的AlN-II缓冲模板上的光输出功率与注入电流的关系。插图：点亮的UVC LED的显微镜图像。（c）LED-A、LED-B和LED-C的电流-电压特性。插图：40mA时的电致发光光谱。（d）光输出功率/外部量子效率-电流特性。
另外两种方法（AlN-II/III）制备的平面蓝宝石衬底具有12nm的异位溅射成核层（sp-NL）。溅射成核层沉积后在高温下退火，以清洁表面并通过晶格重排改善结构。研究发现，溅射成核层的最佳厚度为15nm（图2）。
转移到MOCVD室后，继续进行原位成核层生长，然后在1150°C（AlN-I的生长温度为1100°C）的高温下以不同的V/III比率进行两个二维生长步骤。
AlN-II和AlN-III的V/III比率不同，AlN-III的成分中还有铟：三甲基铝/三甲基铟前驱体的通量比为5:1。
研究人员解释了AlN-III的铟调控基本机制：“In-N键的能量比Al-N键的能量弱得多。这将导致AlN薄膜上铟扩散的活化能垒低于铝扩散的活化能垒，从而使铟吸附原子倾向于在AlN上自由游荡，而不是聚集成团簇。扩散的铟原子与AlN晶岛的台阶边缘接触时，可以降低铝原子下台阶的Ehrlich–Schwoebel势垒，如过程（i）和（ii）所示，这有利于AlN外延薄膜的二维生长。”
In-N键的薄弱性还意味着，一旦发生移动，空位最好由铝填补，从而使AlN薄膜更加平滑。在相对罕见的情况下，加入一个铟原子，也能起到缓解AlN/蓝宝石晶格失配所产生的应变的作用：InN的晶格常数比AlN大。
关于AlN模板上的后续AlGaN生长，研究团队评论道：“一般来说，由于AlN和AlGaN之间的界面存在较大的失配，在AlN薄膜上生长的AlGaN上层预计会承受严重的压缩应变。这将有损结晶质量，使表面粗糙，削弱有源区电子-空穴对的重叠，从而降低UVC LED的发光性能。”
铟调控拉伸了AlN晶格，抑制了AlGaN与AlN模板之间的失配。AlN/蓝宝石模板用于生长AlGaN UVC材料并制造0.254mmx0.508mm的LED。
在10μmx10μm区域内进行原子力显微镜观测，发现AlN-I、AlN-II和AlN-III的均方根粗糙度分别为6.69nm、1.21nm和0.49nm。在没有堆垛层错和凸起的2μmx2μm区域，相应的粗糙度分别低至1.63nm、0.34nm和0.24nm。根据X射线衍射分析，AlN-I、AlN-II和AlN-III样品的位错密度分别约为5.1x109/cm2、2.8x109/cm2和1.5x109/cm2。
研究人员评论道：“AlN-III中的位错密度最低，表明铟原子很好地并入了AlN外延薄膜的晶格，从而避免因InN相的局部凝聚而产生位错或寄生晶粒，进而避免位错或寄生晶粒降低AlN外延薄膜的结晶质量。”
分别基于模板I、模板II和模板III的LED-A、LED-B和LED-C显示，LED-C的性能大大优于LED-A和LED-B（图2）。
表1：LED-A、LED-B和LED-C的正向电压（VF）、光输出功率（LOP）和外部量子效率（EQE）测量数据。
其中，LED-C的正向电压较低，光输出功率和效率较高（表1）。正向电压较低表明，在注入电流一定的情况下，LED-C消耗的功率较少，从而提高了效率。注入电流约为15mA时，LED-C的外部量子效率达到峰值。峰值波长为272nm。
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来源：CSC化合物半导体