研究人员使用单个AlGaN缓冲层开发出硅基绿色InGaN LED

   CINNO Research产业资讯，最近，有研究人员报告称，仅使用单个氮化铝（AlGaN）缓冲层将硅基绿色氮化铟镓（InGaN）发光二极管（LED）的内部量子效率（IQE）提高了78% [Ayu-Dai等人，Appl. Phys. Lett.，v125，p022102024]。尽管没有具体提供该器件的电致发光结果，但这里提到的IQE的大幅度提升非常引人注意，因为它将能够助力更低功耗绿色和红色Micro-LED的制造和商业化。

   如业内所熟知，直接在硅基板上制造蓝色LED有很多问题，所以通常需要使用AlN成核层和一些分级AlGaN缓冲层来桥接硅和GaN之间的非常大的热膨胀失配。不过即使这样，随着温度从工艺所需高温冷却到室温时，在上述缓冲结构上生长的GaN层往往还是会留下一些残余应力，这一应力残余最终会阻碍铟元素掺入用于发射可见光的后续InGaN层。另一方面，对于更长的绿色和红色光而言，起发光作用的InGaN层中需要的铟元素要比蓝色光更多。

   在此背景下，来自中国科学技术大学、苏州纳米技术与纳米离子研究所、广东半导体微纳制造技术研究所和苏州乐金光电技术有限公司的合作团队给出了新的方案。对此，他们解释道：“我们的研究成果表明，GaN-on-Si器件制造过程中合适的应力管理，对于基于硅基晶圆制造InGaN长波长Micro-LED甚至全彩色微型显示器至关重要。

   除了硅之外，市场上还有很多其他基板材料可用于制造LED芯片，但通常这些基板的尺寸都比较小，且价格昂贵，不利于批量低成本制造生产。相比较而言，硅基板的优势巨大，它不仅具有较大的直径尺寸，能够实现低成本的大规模生产，而且还能够更好的和驱动背板实现集成，因为目前绝大多数驱动系统都基于硅电子技术实现的。硅基驱动和发光元件的单片集成可以进一步降低电子系统的复杂性和成本。

   如下图1所示，本研究所用外延材料是通过使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在硅基板上生长的。研究人员对比处理了两种不同设计的样品，一个在AlN上使用传统的阶梯式AlGaN缓冲层，另一个在n-GaN接触/缓冲/模板层之前仅使用一个AlN缓冲层。

图1. 用于性能对比的、基于InGaN的绿色硅基LED方案：（a）样品A采用Al成分分级的AlN/AlGaN多层缓冲层，（b）样品B仅采用一个简单的AlN单层缓冲层

   据研究人员介绍：“这项研究工作中用于制造GaN样品A的Al成分分级AlN/AlGaN多层缓冲层是市售材料，已用于大规模生产GaN-on-Si蓝色LED，并显示出高效率和高可靠性。”

   研究人员对所制造样品进行了相关测试，X射线分析表明，样品B中2μm GaN的螺纹位错（TD）密度高于样品A：分别为2.5×109/cm2和9.0×108/cm2。接下来，研究人员将这两个样品共同放入MOCVD室中，并生长出更多的绿色InGaN LED层。

   这里生长的LED叠层结构由160nm In0.05Ga0.95N/GaN超晶格（SL）、多量子阱（MQW）、20nm电子阻挡层和35nm p-GaN接触层共同组成。其中，MQW发光区又由三个2nm发蓝色光的In0.12Ga0.88N/GaN预阱和五个2.5nm发绿色光的In0.25Ga0.75N/GaN阱组成，这两个量子阱又被10nm 得GaN势垒隔开。

   如图2所示，微型光致发光（PL）分析结果显示，样品B的发光模式比样品A更均匀。此外，与样品A不同，样品B的发光模式没有明显可见的暗点。对此，研究人员评论道：“微型光致发光图像中的暗点，通常代表由InGaN MQW热降解引起的非辐射复合中心。”

图2. 样品A（a）、（c）和（e）以及样品B（b）、（d）和（f）的InGaN MQW的微型光致发光图像、俯视SEM图像和全色CL图像对比

   使用扫描电子显微镜（SEM）和阴极发光（CL）的进一步检查显示，样品A和B的V位密度分别为7.0×108/cm2和2.0×109/cm2，这一数值与螺纹位错值一致。实际上，V形位通常在螺纹位错上形成。

   对此，该研究团队评论道：“理论和实验结果已经证实，侧壁具有较薄QW的V型位可以产生势垒并屏蔽螺纹位错的影响，这有助于空穴注入并增强辐射复合，我们认为这是一种提高InGaN基LED发光效率的有效方法。”

   也就是说，较高的螺纹位错密度并不一定就是坏事。上述CL图像显示，样品A具有黑斑簇，在光学显微镜水平上显示为黑斑，而样品B的CL图像上斑点分布更均匀，具有更好的光学形态。

   另一方面，PL光谱显示，样品B相对于样品A具有更长的40nm红移峰。拉曼光谱还表明，与样品A不同，样品B几乎没有应变。样品A中的压应力估计达到0.37Gpa，而样品B的应力约为0GPa。

   对此，研究人员评论道：“拉曼光谱的测试结果表明，GaN样品B中使用的AlN单层缓冲层可以有效地释放后续GaN各层的残余压应力，这一方案有望通过减少GaN和InGaN之间的失配应变，增加InGaN MQW的铟元素掺入。”

   另外，高角度环形暗场（HAADF）扫描透射电子显微镜（STEM）图像还显示，由于残余应变的存在，样品A中的MQW结构相对于B有所退化（如图3所示）。

图3：（a）样品a和（b）样品b的InGaN基LED材料的横截面HAADF-STEM图像，以及（c）样品a、（d）样品b用蓝色和红色矩形标记的有源MQW区域的放大图像。

   通过比较5K和300K下的PL发光强度，研究人员评估出样品A和B的室温内部量子效率（IQE）分别为33%和78%。

   另外，为了更深入地理解这一差异机制，研究人员还进行了时间分辨的PL研究，他们提取了快（τ1）和慢（τ2）寿命。据此测试结果，研究人员认为它反映了载流子从弱局域态到强局域态的转移，其中缓慢的τ2衰变与局域态中的载流子复合有关。