近日，由國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CSA）與第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）主辦，南方科技大學(xué)微電子學(xué)院與北京麥肯橋新材料生產(chǎn)力促進(jìn)中心有限公司共同承辦的第十七屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA 2020）暨2020國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS 2020）在深圳會(huì)展中心召開。
期間，由山西中科潞安紫外光電科技有限公司、中微半導(dǎo)體設(shè)備（上海）股份有限公司共同協(xié)辦的“固態(tài)紫外器件技術(shù)分會(huì)”上，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所副研究員郭煒分享了鋁鎵氮深紫外量子阱及LED：斜切角襯底及橫向極性疇的影響研究成果。
AlGaN基深紫外LED由于在殺菌消毒、非視距通訊等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景而備受人們所關(guān)注。然而與可見光LED相比，紫外LED的產(chǎn)業(yè)化還較不成熟。從技術(shù)角度出發(fā)，晶體質(zhì)量較差、較強(qiáng)的極化效應(yīng)，以及p-GaN和金屬電極對(duì)紫外光子的吸收等均是影響因素。
報(bào)告首先介紹團(tuán)隊(duì)在斜切角藍(lán)寶石襯底上外延AlGaN材料和紫外LED的進(jìn)展。通過采用高斜切角襯底，紫外LED的內(nèi)量子效率和發(fā)光功率明顯提升。這主要?dú)w功于斜切角襯底促進(jìn)鋁和鎵的相分離，從而引起的載流子局域化效應(yīng)。
此外，研究中還證明了在電流注入條件下，載流子首先通過樣品的富鎵區(qū)域，器件開啟后則擴(kuò)展到整個(gè)有源區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也得到了理論計(jì)算較好的支持，充分證明了斜切角襯底在提升紫外LED輻射復(fù)合效率方面的優(yōu)勢(shì)。
報(bào)告介紹了團(tuán)隊(duì)在橫向極性結(jié)構(gòu)紫外量子阱及LED的研究進(jìn)展。通過襯底上低溫結(jié)晶層的圖形化和預(yù)處理，得到了同時(shí)具有金屬極性和氮極性的“橫向極性結(jié)構(gòu)紫外LED”。構(gòu)建深紫外橫向極性結(jié)構(gòu)遇到的挑戰(zhàn)包括：高鋁組分AlGaN的三維形核生長導(dǎo)致氮極性、橫向極性結(jié)構(gòu)的質(zhì)量惡化，以及在極性反轉(zhuǎn)疇附近因AlGaN薄膜中Ga原子的橫向擴(kuò)散導(dǎo)致的金屬極性和氮極性發(fā)光波長的分離。
因此，通過外延生長中襯底預(yù)處理?xiàng)l件的優(yōu)化，消除了因原子橫向遷移導(dǎo)致的金屬極性和氮極性發(fā)光波長30 nm的差異。此外，通過插入AlGaN/AlN超晶格結(jié)構(gòu)，氮極性區(qū)域的表面形貌得到了明顯改善，晶體質(zhì)量有所提升。最終，實(shí)現(xiàn)了橫向極性結(jié)構(gòu)275 nm 單峰發(fā)光，并且基于微區(qū)光譜證明了在極性反轉(zhuǎn)疇界面處，MQW的發(fā)光強(qiáng)度提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
在開爾文探針顯微鏡、X射線光電子能譜的幫助下，得到了極性反轉(zhuǎn)疇界面的橫向能帶結(jié)構(gòu)。由于不同極性疇表面電勢(shì)的差異，金屬極性和氮極性之間存在勢(shì)壘，有助于電子和空穴在界面處聚集從而高效地輻射復(fù)合。
通過第一性原理分析，得到了AlGaN 橫向極性結(jié)構(gòu)的DOS分布和能帶圖，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，這也進(jìn)一步證明了橫向極性結(jié)構(gòu)對(duì)于載流子輸運(yùn)和復(fù)合的影響作用。相關(guān)工作為深入理解橫向極性結(jié)構(gòu)的發(fā)光特性提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為開發(fā)新型高效深紫外光電器件提供了全新的思路。
郭煒博士2014年博士畢業(yè)于美國北卡羅來納州立大學(xué),2016年加入中科院寧波材料所任副研究員。研究方向?yàn)榈谌雽?dǎo)體材料與器件。主要研究興趣包括高鋁組分AlGaN 材料的MOCVD 外延、氮化物極性調(diào)控及新型光電子/電力電子器件等。郭博士目前主持、參與科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、寧波市“科技創(chuàng)新2025重大專項(xiàng)”、國家自然科學(xué)基金面上/青年基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等課題，在SCI 期刊雜志發(fā)表論文40余篇，論文引用近1000余次，申請(qǐng)中國發(fā)明專利10余項(xiàng)。
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