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在纳米图案化蓝宝石衬底(NPSS)上实现AlGaN基高效多量子阱的生长

时间:2022-07-12来源:佚名
有源区量子阱的内量子效率(IQE)低是在众多制约AlGaNDUV-LED发展的因素里十分重要的一个;同时,在众多改善这一制约的措施中,都可以从以下两点来概括:一方面是保证量子阱结构的均一稳定性,例如拥有光滑平整的界面,以保持载流子的局域完成高效的辐射;另一方面,需严格控制并减少量子阱内的缺陷密度。
针对这两点,在此研究中,我们采用严格的温度控制、优化的Ⅴ/Ⅲ比和Si掺杂浓度来制约缺陷的形成,同时,利用纳米图形化的蓝宝石衬底(NPSS)来保证AlN模板和多量子阱(MQWs)低的位错密度(TDD)。

portant; overflow-wrap: break-word !important;">结果分析

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本研究中LED器件的基本结构为:1250℃下生长4 um的AlN模板;而后生长10个周期的AlN(15 nm)/Al0.55Ga0.45N(10 nm)超晶格应力调控层(1180℃);n-AlGaN(1.5 um,1160℃);最后生长10个周期的量子阱(Well:2.3 nm-Al0.35Ga0.65N,Barrier:10 nm-Al0.5Ga0.5N)。

portant; overflow-wrap: break-word !important;">在纳米图案化蓝宝石衬底(NPSS)上实现AlGaN基高效多量子阱的生长

首先测试了AlN模板的XRD摇摆曲线和AFM,(0002)和(10-12)的半峰宽分别为110和176 arcsec,计算得到位错密度TDD为3.23*108 cm-2;AFM可以看到清晰明了的台阶流,表面粗糙度RSM仅为0.08 nm。

portant; overflow-wrap: break-word !important;">在纳米图案化蓝宝石衬底(NPSS)上实现AlGaN基高效多量子阱的生长

为了避免之后生长的应力调控层和n-AlGaN对量子阱产生的影响,我们在制备的AlN模板上不同温度下直接生长了量子阱。图2展示了4个温度下量子阱样品的2theta-Omega XRD扫描图谱,在1060和1100℃下,可以看到清晰的卫星峰,这表示了量子阱间形成光滑平整的界面,当温度升至1116和1153℃后,卫星峰退化消失不见,这表明界面在1100℃以上时很难维持。

portant; overflow-wrap: break-word !important;">在纳米图案化蓝宝石衬底(NPSS)上实现AlGaN基高效多量子阱的生长

而后的TEM测试也同样证实了这一点,在1060和1100℃下可以看到十分锐利的界面,之后的全结构将会在1100℃下生长MQW,虽然说低于1100℃时,界面同样清晰,但是高温会促进Al原子的迁移能力,因此在1100℃下生长。

portant; overflow-wrap: break-word !important;">在纳米图案化蓝宝石衬底(NPSS)上实现AlGaN基高效多量子阱的生长

根据课题组之前的研究,我们发现:在AlGaN体系中的点缺陷,其形成能十分依赖于生长时Ⅴ/Ⅲ比和Si的掺杂能级;Ⅴ/Ⅲ不同的大小可改变体系中点缺陷的种类和密度,特别是N、Al空位和C杂质,可以猜测的是,优化Ⅴ/Ⅲ能够抑制点缺陷的形成,以得到高的IQE,于是制备了Ⅴ/Ⅲ值分别为500、1000和2000的样品,测试得到PL衰减曲线,根据其可拟合得到荧光时间和IQE的值,荧光时间代表着有源区中的非辐射复合过程,长的荧光时间则代表对非辐射复合过程的抑制。

如图4所示,Ⅴ/Ⅲ值分别为500、1000和2000时非辐射复合时间分别为510.8、727.3和702.9 ps,这个结果表明富N条件可以有效抑制非辐射复合过程的发生,但是需要注意的是,高的Ⅴ/Ⅲ值将导致金属原子迁移能力变差,影响晶体质量。

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而后探究Si掺杂能级对点缺陷形成的影响,制备了4个样品,其中Barrier的掺杂浓度依次为0、5*1017 cm-3、1*1018 cm-3和2*1018 cm-3。Ⅴ/Ⅲ值和生长温度分别为11和1100℃。如图5所示,可以发现:调整Si的掺杂能级确实会抑制点缺陷的产生,值得注意的是,Si重掺杂时会引起凹坑的产生,会严重降低表面粗糙度。

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portant; overflow-wrap: break-word !important;">最终,在上述研究的基础上,我们工艺制备了LED的全结构,周期性结构如图6a所示,而后进行电致发光EL测试,结果如图6b,显示出良好的单模发光,在不同注入电流下波长约276.1 nm(疑惑这个不存在QCSE引起的蓝移)。在整个注入电流范围内(0-100 mA),封装器件最优的光输出功率和EQE约为17.3 mW4.01%,实现了非常优异的器件工作性能。

作者简介:
portant; overflow-wrap: break-word !important;">许福军,男,19795月生,2007年毕业于北京大学物理学院,获理学博士学位,现为北京大学物理学院博士生导师、副教授。研究领域为宽禁带半导体材料和器件物理,研究定位为满足国家重大需求的关键材料和器件(芯片)研发。近年来主要开展AlGaN 基深紫外发光材料和芯片研究,在高质量AlN、高效率AlGaN量子阱以及pAlGaN研究方面达到国际先进水平,在团队支撑下突破了高性能深紫外发光二极管芯片研制的关键技术,并实现科研成果落地付诸产业化应用。
portant; overflow-wrap: break-word !important;">近年来,作为负责人承担国家自然科学基金面上项目3项和企业合作横向课题2项;作为子课题负责人参与国家重点研发计划项目1项、北京市科委重点项目1项,山东省重大科技创新工程项目1项和广东省重点研发计划项目1项。迄今以一作/通讯作者在Light:Science * Applications Applied Physics Letters Optics Express等一流学术期刊上共发表一作/通讯作者论文30多篇(包括研究亮点工作8项),获得/申请国家发明专利10多件(其中多件实现产业化应用)。

(来源:半字笙歌)

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