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硅基绿色氮化铟镓 LED 内部量子效率大幅提升的新突破
来源：
时间：2024-08-12 19:49:25
在半导体领域，硅基绿色氮化铟镓 LED 的发展一直是研究的热点。此次研究人员取得的重大突破，为这一领域带来了新的希望。
近期，研究人员发布报告称，仅凭借单个氮化铝（ALGaN）缓冲层，成功将硅基绿色氮化铟镓（InGaN）发光二极管（LED）的内部量子效率（IQE）提升了 78% [Ayu-Dai 等人，Appl. Phys. Lett.，v125，p022102024]。虽然未具体给出该器件的电致发光结果，但如此显著的 IQE 提升颇为引人注目，因其有望推动更低功耗绿色和红色 Micro-LED 的制造及商业化进程。
众所周知，在硅基板上直接制造蓝色 LED 存在诸多难题，通常需要运用 AlN 成核层以及一些分级 AlGaN 缓冲层来衔接硅与 GaN 之间极大的热膨胀失配。然而即便如此，当温度从工艺所需的高温冷却至室温时，在上述缓冲结构上生长的 GaN 层仍会残留部分应力，这一应力残留最终会阻碍铟元素掺入后续用于发射可见光的 InGaN 层。另一方面，对于更长的绿色和红色光来说，起发光作用的 InGaN 层所需的铟元素比蓝色光更多。
在此情形下，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全新的解决方案。他们表示：“我们的研究成果表明，在 GaN-on-Si 器件制造过程中，恰当的应力管理对于基于硅基晶圆制造 InGaN 长波长 Micro-LED 乃至全彩色微型显示器极为关键。
除硅之外，市场上存在众多可用于制造 LED 芯片的基板材料，但这些基板往往尺寸较小且价格高昂，不利于进行批量低成本生产。相较而言，硅基板优势明显，不仅直径尺寸较大，能够实现低成本的大规模生产，还能更好地与驱动背板实现集成，因为当前绝大多数驱动系统均基于硅电子技术实现。硅基驱动和发光元件的单片集成能够进一步降低电子系统的复杂性和成本。
如下图 1 所示，本研究所用的外延材料通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在硅基板上生长。研究人员对比处理了两种不同设计的样品，其一在 AlN 上采用传统的阶梯式 AlGaN 缓冲层，另一个则在 n-GaN 接触/缓冲/模板层之前仅运用一个 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：“本研究中用于制造 GaN 样品 A 的 Al 成分分级 AlN/AlGaN 多层缓冲层属于市售材料，已用于大规模生产 GaN-on-Si 蓝色 LED，并展现出高效率和高可靠性。”
研究人员对所制造的样品进行了相关测试，X 射线分析显示，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。随后，研究人员将这两个样品一同放入 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 接触层共同构成。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 的 GaN 势垒隔开。
如图 2 所示，微型光致发光（PL）分析结果表明，样品 B 的发光模式比样品 A 更为均匀。此外，与样品 A 不同，样品 B 的发光模式不存在明显可见的暗点。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
运用扫描电子显微镜（SEM）和阴极发光（CL）进一步检查发现，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相符。实际上，V 形位通常在螺纹位错上形成。
该研究团队指出：“理论和实验结果已经证实，侧壁具有较薄 QW 的 V 型位能够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，我们认为这是提升 InGaN 基 LED 发光效率的有效途径。”
也就是说，较高的螺纹位错密度未必是坏事。上述 CL 图像显示，样品 A 存在黑斑簇，在光学显微镜水平上呈现为黑斑，而样品 B 的 CL 图像上斑点分布更均匀，具有更良好的光学形态。
另一方面，PL 光谱显示，样品 B 相较于样品 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。
研究人员表示：“拉曼光谱的测试结果表明，GaN 样品 B 中使用的 AlN 单层缓冲层能够有效地释放后续 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）图像还表明，由于残余应变的存在，样品 A 中的 MQW 结构相较于 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。
通过对比 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%。
此外，为更深入理解这一差异机制，研究人员还开展了时间分辨的 PL 研究，他们提取了快（τ1）和慢（τ2）寿命。根据测试结果，研究人员认为这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。
综上所述，这一研究成果为硅基绿色氮化铟镓 LED 的发展开辟了新的道路。相信在未来，这一技术将在更低功耗绿色和红色 Micro-LED 的制造中发挥重要作用，为相关产业带来更多的创新和发展机遇。
近期，研究人员发布报告称，仅凭借单个氮化铝（ALGaN）缓冲层，成功将硅基绿色氮化铟镓（InGaN）发光二极管（LED）的内部量子效率（IQE）提升了 78% [Ayu-Dai 等人，Appl. Phys. Lett.，v125，p022102024]。虽然未具体给出该器件的电致发光结果，但如此显著的 IQE 提升颇为引人注目，因其有望推动更低功耗绿色和红色 Micro-LED 的制造及商业化进程。
众所周知，在硅基板上直接制造蓝色 LED 存在诸多难题，通常需要运用 AlN 成核层以及一些分级 AlGaN 缓冲层来衔接硅与 GaN 之间极大的热膨胀失配。然而即便如此，当温度从工艺所需的高温冷却至室温时，在上述缓冲结构上生长的 GaN 层仍会残留部分应力，这一应力残留最终会阻碍铟元素掺入后续用于发射可见光的 InGaN 层。另一方面，对于更长的绿色和红色光来说，起发光作用的 InGaN 层所需的铟元素比蓝色光更多。
在此情形下，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全新的解决方案。他们表示：“我们的研究成果表明，在 GaN-on-Si 器件制造过程中，恰当的应力管理对于基于硅基晶圆制造 InGaN 长波长 Micro-LED 乃至全彩色微型显示器极为关键。
除硅之外，市场上存在众多可用于制造 LED 芯片的基板材料，但这些基板往往尺寸较小且价格高昂，不利于进行批量低成本生产。相较而言，硅基板优势明显，不仅直径尺寸较大，能够实现低成本的大规模生产，还能更好地与驱动背板实现集成，因为当前绝大多数驱动系统均基于硅电子技术实现。硅基驱动和发光元件的单片集成能够进一步降低电子系统的复杂性和成本。
如下图 1 所示，本研究所用的外延材料通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在硅基板上生长。研究人员对比处理了两种不同设计的样品，其一在 AlN 上采用传统的阶梯式 AlGaN 缓冲层，另一个则在 n-GaN 接触/缓冲/模板层之前仅运用一个 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：“本研究中用于制造 GaN 样品 A 的 Al 成分分级 AlN/AlGaN 多层缓冲层属于市售材料，已用于大规模生产 GaN-on-Si 蓝色 LED，并展现出高效率和高可靠性。”
研究人员对所制造的样品进行了相关测试，X 射线分析显示，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。随后，研究人员将这两个样品一同放入 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 接触层共同构成。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 的 GaN 势垒隔开。
如图 2 所示，微型光致发光（PL）分析结果表明，样品 B 的发光模式比样品 A 更为均匀。此外，与样品 A 不同，样品 B 的发光模式不存在明显可见的暗点。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
运用扫描电子显微镜（SEM）和阴极发光（CL）进一步检查发现，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相符。实际上，V 形位通常在螺纹位错上形成。
该研究团队指出：“理论和实验结果已经证实，侧壁具有较薄 QW 的 V 型位能够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，我们认为这是提升 InGaN 基 LED 发光效率的有效途径。”
也就是说，较高的螺纹位错密度未必是坏事。上述 CL 图像显示，样品 A 存在黑斑簇，在光学显微镜水平上呈现为黑斑，而样品 B 的 CL 图像上斑点分布更均匀，具有更良好的光学形态。
另一方面，PL 光谱显示，样品 B 相较于样品 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。
研究人员表示：“拉曼光谱的测试结果表明，GaN 样品 B 中使用的 AlN 单层缓冲层能够有效地释放后续 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）图像还表明，由于残余应变的存在，样品 A 中的 MQW 结构相较于 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。
通过对比 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%。
此外，为更深入理解这一差异机制，研究人员还开展了时间分辨的 PL 研究，他们提取了快（τ1）和慢（τ2）寿命。根据测试结果，研究人员认为这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。
综上所述，这一研究成果为硅基绿色氮化铟镓 LED 的发展开辟了新的道路。相信在未来，这一技术将在更低功耗绿色和红色 Micro-LED 的制造中发挥重要作用，为相关产业带来更多的创新和发展机遇。
