【科研速递】基于铝氮化物基板方法实现更高亮度的深紫外LED - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

武汉大学周圣军教授团队提出了一种通过成核层(NL)修饰、生长模式调节和铟（In）掺杂调制实现高质量AlN缓冲层的范例。因而，在平坦的蓝宝石衬底（FSS）上实现了缺陷减少、应变控制和原子扁平的AlN薄膜。此外，通过使用所提出的AlN缓冲层，UVC LED 的电致发光性能得到了显著提高。[Xu Liu 等人，lEEE Transactions On Electron Devices，2025年2月11日]。

与氮化铝/蓝宝石外延横向过生长（ELO）的UVC LED相比，该团队的研究工作使外量子效率（EQE）提高了71%。研究人员还称，272nm波长的LED的 EQE几乎比在传统氮化铝缓冲层上的器件高出近90%。短波长的UVC能通过破坏对生命至关重要的生化结构（如DNA和RNA）来杀灭病原体。

武汉大学、武汉新型显示产业联合创新实验室和宁波安芯美半导体有限公司的研究团队报告称：“通过纳米层修饰、生长模式调节和铟掺杂的方法，在蓝宝石衬底上实现了无裂纹、应变可控且原子级平滑的AlN缓冲层。”

研究人员认为他们的工作有望为更可持续和环保的杀菌辐照源提供改进方案。

图 1：（a）AlN-I、（b）AlN-II 和（c）AlN-III 的外延结构。（d）AlN-III 的生长条件示意图和（e）铟调制的潜在机制示意图。

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缓冲层的三种方法（图 1）。

第一种方法（AlN-I）采用 1.33μm 的ELO工艺，通过三维（3D）机制减少后续材料生长层中的缺陷。二维凝聚层为1.85μm。外延晶体生长的初始成核是在 MOCVD 中原位进行的。

图2：(a) 带有超晶格电子阻挡层（EBL）的UVC LED结构示意图；(b) AlN-II缓冲层上不同厚度外延AlN sp-NL的光输出功率（LOP）与电流注入关系（插图：点亮的UVC LED显微图像）；(c) LED-A、-B和-C的电流-电压特性（插图：40mA下的电致发光（EL）光谱）；(d) 光输出功率/EQE-电流特性。

另外两种方法（AlN-II/III）在平面蓝宝石衬底（FSS）上制备了12nm厚的原位溅射成核层（sp-NL）。sp-NL沉积后经过高温退火以清洁表面，并通过晶格重排优化结构。实验发现sp-NL的最佳厚度为15nm（图2）。

将衬底转移至MOCVD腔室后，生长过程继续采用原位成核层（NL），随后在1150℃（高于AlN-I的1100℃）下以不同V/III比进行两步二维生长。

AlN-II与AlN-III的差异在于V/III比不同，且AlN-III的成分中引入了铟：三甲基铝（trimethyl-Al）与三甲基铟（trimethyl-In）前驱体的流量比为5:1。

研究人员解释了AlN-III中铟调制的内在机制：“In–N键能远低于Al–N键能，这导致铟原子在AlN薄膜上的扩散激活能低于铝原子。因此，铟吸附原子倾向于在AlN表面自由扩散而非聚集成团。如过程(i)-(ii)所示，当扩散的铟原子接触AlN晶岛的台阶边缘时，可降低铝原子跨越台阶的Ehrlich-Schwoebel势垒，从而促进AlN外延薄膜的二维生长。”

In–N键的弱键合性还意味着：一旦铟原子迁移，其留下的空位优先被铝原子填充，从而形成更平滑的AlN薄膜。在极少数情况下，因InN的晶格常数大于AlN，掺入的铟原子还可缓解AlN/蓝宝石晶格失配导致的应变。

针对后续在AlN衬底上生长AlGaN，研究团队指出：“通常，AlN薄膜上生长的AlGaN上层会因AlN与AlGaN界面的大失配而承受严重压缩应变。这将损害晶体质量、使表面粗糙，并削弱活性区电子-空穴对的重叠，从而降低UVC LED的发光性能。”

铟的调制拉伸了AlN晶格，抑制了AlGaN与缓冲层间的失配。采用AlN/蓝宝石模板生长的AlGaN UVC材料被用于制造0.254mm×0.508mm尺寸的LED。

原子力显微镜（10μm×10μm区域）测得AlN-I、-II和-III的均方根粗糙度（RMS）分别为6.69nm、1.21nm和0.49nm。在没有堆垛层错与小丘缺陷的2μm×2μm区域，粗糙度进一步降至1.63nm、0.34nm和0.24nm。基于X射线衍射分析，AlN-I、AlN-II、AlN-III样品的位错密度分别为5.1×10⁹/cm2、2.8×10⁹/cm2和1.5×10⁹/cm2。

研究人员称：“AlN-III的位错密度最低，表明铟原子被良好掺入到AlN外延薄膜晶格中，避免了因InN相局部团聚导致的位错或寄生晶粒对AlN外延薄膜结晶质量的破坏。”

基于薄膜I、II和III的LED-A、-B和-C显示，C的性能显著优于A和B（图2）。

表1：LED-A、-B和-C的正向电压（VF）、光输出功率（LOP）及外量子效率（EQE）测量值