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硅基綠色氮化銦鎵 LED 內(nèi)部量子效率大幅提升的新突破
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時(shí)間：2024-08-12 19:49:25
在半導(dǎo)體領(lǐng)域，硅基綠色氮化銦鎵 LED 的發(fā)展一直是研究的熱點(diǎn)。此次研究人員取得的重大突破，為這一領(lǐng)域帶來(lái)了新的希望。
近期，研究人員發(fā)布報(bào)告稱，僅憑借單個(gè)氮化鋁（ALGaN）緩沖層，成功將硅基綠色氮化銦鎵（InGaN）發(fā)光二極管（LED）的內(nèi)部量子效率（IQE）提升了 78% [Ayu-Dai 等人，Appl. Phys. Lett.，v125，p022102024]。雖然未具體給出該器件的電致發(fā)光結(jié)果，但如此顯著的 IQE 提升頗為引人注目，因其有望推動(dòng)更低功耗綠色和紅色 Micro-LED 的制造及商業(yè)化進(jìn)程。
眾所周知，在硅基板上直接制造藍(lán)色 LED 存在諸多難題，通常需要運(yùn)用 AlN 成核層以及一些分級(jí) AlGaN 緩沖層來(lái)銜接硅與 GaN 之間極大的熱膨脹失配。然而即便如此，當(dāng)溫度從工藝所需的高溫冷卻至室溫時(shí)，在上述緩沖結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)的 GaN 層仍會(huì)殘留部分應(yīng)力，這一應(yīng)力殘留最終會(huì)阻礙銦元素?fù)饺牒罄m(xù)用于發(fā)射可見(jiàn)光的 InGaN 層。另一方面，對(duì)于更長(zhǎng)的綠色和紅色光來(lái)說(shuō)，起發(fā)光作用的 InGaN 層所需的銦元素比藍(lán)色光更多。
在此情形下，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、蘇州納米技術(shù)與納米離子研究所、廣東半導(dǎo)體微納制造技術(shù)研究所和蘇州樂(lè)金光電技術(shù)有限公司的合作團(tuán)隊(duì)給出了全新的解決方案。他們表示：“我們的研究成果表明，在 GaN-on-Si 器件制造過(guò)程中，恰當(dāng)?shù)膽?yīng)力管理對(duì)于基于硅基晶圓制造 InGaN 長(zhǎng)波長(zhǎng) Micro-LED 乃至全彩色微型顯示器極為關(guān)鍵。
除硅之外，市場(chǎng)上存在眾多可用于制造 LED 芯片的基板材料，但這些基板往往尺寸較小且價(jià)格高昂，不利于進(jìn)行批量低成本生產(chǎn)。相較而言，硅基板優(yōu)勢(shì)明顯，不僅直徑尺寸較大，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的大規(guī)模生產(chǎn)，還能更好地與驅(qū)動(dòng)背板實(shí)現(xiàn)集成，因?yàn)楫?dāng)前絕大多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均基于硅電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。硅基驅(qū)動(dòng)和發(fā)光元件的單片集成能夠進(jìn)一步降低電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
如下圖 1 所示，本研究所用的外延材料通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)在硅基板上生長(zhǎng)。研究人員對(duì)比處理了兩種不同設(shè)計(jì)的樣品，其一在 AlN 上采用傳統(tǒng)的階梯式 AlGaN 緩沖層，另一個(gè)則在 n-GaN 接觸/緩沖/模板層之前僅運(yùn)用一個(gè) AlN 緩沖層。
圖 1. 用于性能對(duì)比的、基于 InGaN 的綠色硅基 LED 方案：（a）樣品 A 采用 Al 成分分級(jí)的 AlN/AlGaN 多層緩沖層，（b）樣品 B 僅采用一個(gè)簡(jiǎn)單的 AlN 單層緩沖層
據(jù)研究人員介紹：“本研究中用于制造 GaN 樣品 A 的 Al 成分分級(jí) AlN/AlGaN 多層緩沖層屬于市售材料，已用于大規(guī)模生產(chǎn) GaN-on-Si 藍(lán)色 LED，并展現(xiàn)出高效率和高可靠性。”
研究人員對(duì)所制造的樣品進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，X 射線分析顯示，樣品 B 中 2μm GaN 的螺紋位錯(cuò)（TD）密度高于樣品 A：分別為 2.5×109/cm2 和 9.0×108/cm2。隨后，研究人員將這兩個(gè)樣品一同放入 MOCVD 室中，并生長(zhǎng)出更多的綠色 InGaN LED 層。
這里生長(zhǎng)的 LED 疊層結(jié)構(gòu)由 160nm In0.05Ga0.95N/GaN 超晶格（SL）、多量子阱（MQW）、20nm 電子阻擋層和 35nm p-GaN 接觸層共同構(gòu)成。其中，MQW 發(fā)光區(qū)又由三個(gè) 2nm 發(fā)藍(lán)色光的 In0.12Ga0.88N/GaN 預(yù)阱和五個(gè) 2.5nm 發(fā)綠色光的 In0.25Ga0.75N/GaN 阱組成，這兩個(gè)量子阱又被 10nm 的 GaN 勢(shì)壘隔開(kāi)。
如圖 2 所示，微型光致發(fā)光（PL）分析結(jié)果表明，樣品 B 的發(fā)光模式比樣品 A 更為均勻。此外，與樣品 A 不同，樣品 B 的發(fā)光模式不存在明顯可見(jiàn)的暗點(diǎn)。對(duì)此，研究人員評(píng)論道：“微型光致發(fā)光圖像中的暗點(diǎn)，通常代表由 InGaN MQW 熱降解引起的非輻射復(fù)合中心。”
圖 2. 樣品 A（a）、（c）和（e）以及樣品 B（b）、（d）和（f）的 InGaN MQW 的微型光致發(fā)光圖像、俯視 SEM 圖像和全色 CL 圖像對(duì)比
運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）和陰極發(fā)光（CL）進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，樣品 A 和 B 的 V 位密度分別為 7.0×108/cm2 和 2.0×109/cm2，這一數(shù)值與螺紋位錯(cuò)值相符。實(shí)際上，V 形位通常在螺紋位錯(cuò)上形成。
該研究團(tuán)隊(duì)指出：“理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，側(cè)壁具有較薄 QW 的 V 型位能夠產(chǎn)生勢(shì)壘并屏蔽螺紋位錯(cuò)的影響，這有助于空穴注入并增強(qiáng)輻射復(fù)合，我們認(rèn)為這是提升 InGaN 基 LED 發(fā)光效率的有效途徑。”
也就是說(shuō)，較高的螺紋位錯(cuò)密度未必是壞事。上述 CL 圖像顯示，樣品 A 存在黑斑簇，在光學(xué)顯微鏡水平上呈現(xiàn)為黑斑，而樣品 B 的 CL 圖像上斑點(diǎn)分布更均勻，具有更良好的光學(xué)形態(tài)。
另一方面，PL 光譜顯示，樣品 B 相較于樣品 A 具有更長(zhǎng)的 40nm 紅移峰。拉曼光譜還表明，與樣品 A 不同，樣品 B 幾乎沒(méi)有應(yīng)變。樣品 A 中的壓應(yīng)力估計(jì)達(dá)到 0.37Gpa，而樣品 B 的應(yīng)力約為 0GPa。
研究人員表示：“拉曼光譜的測(cè)試結(jié)果表明，GaN 樣品 B 中使用的 AlN 單層緩沖層能夠有效地釋放后續(xù) GaN 各層的殘余壓應(yīng)力，這一方案有望通過(guò)減少 GaN 和 InGaN 之間的失配應(yīng)變，增加 InGaN MQW 的銦元素?fù)饺搿?rdquo;
另外，高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像還表明，由于殘余應(yīng)變的存在，樣品 A 中的 MQW 結(jié)構(gòu)相較于 B 有所退化（如圖 3 所示）。
圖 3：（a）樣品 a 和（b）樣品 b 的 InGaN 基 LED 材料的橫截面 HAADF-STEM 圖像，以及（c）樣品 a、（d）樣品 b 用藍(lán)色和紅色矩形標(biāo)記的有源 MQW 區(qū)域的放大圖像。
通過(guò)對(duì)比 5K 和 300K 下的 PL 發(fā)光強(qiáng)度，研究人員評(píng)估出樣品 A 和 B 的室溫內(nèi)部量子效率（IQE）分別為 33%和 78%。
此外，為更深入理解這一差異機(jī)制，研究人員還開(kāi)展了時(shí)間分辨的 PL 研究，他們提取了快（τ1）和慢（τ2）壽命。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，研究人員認(rèn)為這反映了載流子從弱局域態(tài)到強(qiáng)局域態(tài)的轉(zhuǎn)移，其中緩慢的τ2衰變與局域態(tài)中的載流子復(fù)合有關(guān)。
綜上所述，這一研究成果為硅基綠色氮化銦鎵 LED 的發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。相信在未來(lái)，這一技術(shù)將在更低功耗綠色和紅色 Micro-LED 的制造中發(fā)揮重要作用，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。
近期，研究人員發(fā)布報(bào)告稱，僅憑借單個(gè)氮化鋁（ALGaN）緩沖層，成功將硅基綠色氮化銦鎵（InGaN）發(fā)光二極管（LED）的內(nèi)部量子效率（IQE）提升了 78% [Ayu-Dai 等人，Appl. Phys. Lett.，v125，p022102024]。雖然未具體給出該器件的電致發(fā)光結(jié)果，但如此顯著的 IQE 提升頗為引人注目，因其有望推動(dòng)更低功耗綠色和紅色 Micro-LED 的制造及商業(yè)化進(jìn)程。
眾所周知，在硅基板上直接制造藍(lán)色 LED 存在諸多難題，通常需要運(yùn)用 AlN 成核層以及一些分級(jí) AlGaN 緩沖層來(lái)銜接硅與 GaN 之間極大的熱膨脹失配。然而即便如此，當(dāng)溫度從工藝所需的高溫冷卻至室溫時(shí)，在上述緩沖結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)的 GaN 層仍會(huì)殘留部分應(yīng)力，這一應(yīng)力殘留最終會(huì)阻礙銦元素?fù)饺牒罄m(xù)用于發(fā)射可見(jiàn)光的 InGaN 層。另一方面，對(duì)于更長(zhǎng)的綠色和紅色光來(lái)說(shuō)，起發(fā)光作用的 InGaN 層所需的銦元素比藍(lán)色光更多。
在此情形下，來(lái)自中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、蘇州納米技術(shù)與納米離子研究所、廣東半導(dǎo)體微納制造技術(shù)研究所和蘇州樂(lè)金光電技術(shù)有限公司的合作團(tuán)隊(duì)給出了全新的解決方案。他們表示：“我們的研究成果表明，在 GaN-on-Si 器件制造過(guò)程中，恰當(dāng)?shù)膽?yīng)力管理對(duì)于基于硅基晶圓制造 InGaN 長(zhǎng)波長(zhǎng) Micro-LED 乃至全彩色微型顯示器極為關(guān)鍵。
除硅之外，市場(chǎng)上存在眾多可用于制造 LED 芯片的基板材料，但這些基板往往尺寸較小且價(jià)格高昂，不利于進(jìn)行批量低成本生產(chǎn)。相較而言，硅基板優(yōu)勢(shì)明顯，不僅直徑尺寸較大，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本的大規(guī)模生產(chǎn)，還能更好地與驅(qū)動(dòng)背板實(shí)現(xiàn)集成，因?yàn)楫?dāng)前絕大多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均基于硅電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)。硅基驅(qū)動(dòng)和發(fā)光元件的單片集成能夠進(jìn)一步降低電子系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
如下圖 1 所示，本研究所用的外延材料通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)在硅基板上生長(zhǎng)。研究人員對(duì)比處理了兩種不同設(shè)計(jì)的樣品，其一在 AlN 上采用傳統(tǒng)的階梯式 AlGaN 緩沖層，另一個(gè)則在 n-GaN 接觸/緩沖/模板層之前僅運(yùn)用一個(gè) AlN 緩沖層。
圖 1. 用于性能對(duì)比的、基于 InGaN 的綠色硅基 LED 方案：（a）樣品 A 采用 Al 成分分級(jí)的 AlN/AlGaN 多層緩沖層，（b）樣品 B 僅采用一個(gè)簡(jiǎn)單的 AlN 單層緩沖層
據(jù)研究人員介紹：“本研究中用于制造 GaN 樣品 A 的 Al 成分分級(jí) AlN/AlGaN 多層緩沖層屬于市售材料，已用于大規(guī)模生產(chǎn) GaN-on-Si 藍(lán)色 LED，并展現(xiàn)出高效率和高可靠性。”
研究人員對(duì)所制造的樣品進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，X 射線分析顯示，樣品 B 中 2μm GaN 的螺紋位錯(cuò)（TD）密度高于樣品 A：分別為 2.5×109/cm2 和 9.0×108/cm2。隨后，研究人員將這兩個(gè)樣品一同放入 MOCVD 室中，并生長(zhǎng)出更多的綠色 InGaN LED 層。
這里生長(zhǎng)的 LED 疊層結(jié)構(gòu)由 160nm In0.05Ga0.95N/GaN 超晶格（SL）、多量子阱（MQW）、20nm 電子阻擋層和 35nm p-GaN 接觸層共同構(gòu)成。其中，MQW 發(fā)光區(qū)又由三個(gè) 2nm 發(fā)藍(lán)色光的 In0.12Ga0.88N/GaN 預(yù)阱和五個(gè) 2.5nm 發(fā)綠色光的 In0.25Ga0.75N/GaN 阱組成，這兩個(gè)量子阱又被 10nm 的 GaN 勢(shì)壘隔開(kāi)。
如圖 2 所示，微型光致發(fā)光（PL）分析結(jié)果表明，樣品 B 的發(fā)光模式比樣品 A 更為均勻。此外，與樣品 A 不同，樣品 B 的發(fā)光模式不存在明顯可見(jiàn)的暗點(diǎn)。對(duì)此，研究人員評(píng)論道：“微型光致發(fā)光圖像中的暗點(diǎn)，通常代表由 InGaN MQW 熱降解引起的非輻射復(fù)合中心。”
圖 2. 樣品 A（a）、（c）和（e）以及樣品 B（b）、（d）和（f）的 InGaN MQW 的微型光致發(fā)光圖像、俯視 SEM 圖像和全色 CL 圖像對(duì)比
運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）和陰極發(fā)光（CL）進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，樣品 A 和 B 的 V 位密度分別為 7.0×108/cm2 和 2.0×109/cm2，這一數(shù)值與螺紋位錯(cuò)值相符。實(shí)際上，V 形位通常在螺紋位錯(cuò)上形成。
該研究團(tuán)隊(duì)指出：“理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，側(cè)壁具有較薄 QW 的 V 型位能夠產(chǎn)生勢(shì)壘并屏蔽螺紋位錯(cuò)的影響，這有助于空穴注入并增強(qiáng)輻射復(fù)合，我們認(rèn)為這是提升 InGaN 基 LED 發(fā)光效率的有效途徑。”
也就是說(shuō)，較高的螺紋位錯(cuò)密度未必是壞事。上述 CL 圖像顯示，樣品 A 存在黑斑簇，在光學(xué)顯微鏡水平上呈現(xiàn)為黑斑，而樣品 B 的 CL 圖像上斑點(diǎn)分布更均勻，具有更良好的光學(xué)形態(tài)。
另一方面，PL 光譜顯示，樣品 B 相較于樣品 A 具有更長(zhǎng)的 40nm 紅移峰。拉曼光譜還表明，與樣品 A 不同，樣品 B 幾乎沒(méi)有應(yīng)變。樣品 A 中的壓應(yīng)力估計(jì)達(dá)到 0.37Gpa，而樣品 B 的應(yīng)力約為 0GPa。
研究人員表示：“拉曼光譜的測(cè)試結(jié)果表明，GaN 樣品 B 中使用的 AlN 單層緩沖層能夠有效地釋放后續(xù) GaN 各層的殘余壓應(yīng)力，這一方案有望通過(guò)減少 GaN 和 InGaN 之間的失配應(yīng)變，增加 InGaN MQW 的銦元素?fù)饺搿?rdquo;
另外，高角度環(huán)形暗場(chǎng)（HAADF）掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖像還表明，由于殘余應(yīng)變的存在，樣品 A 中的 MQW 結(jié)構(gòu)相較于 B 有所退化（如圖 3 所示）。
圖 3：（a）樣品 a 和（b）樣品 b 的 InGaN 基 LED 材料的橫截面 HAADF-STEM 圖像，以及（c）樣品 a、（d）樣品 b 用藍(lán)色和紅色矩形標(biāo)記的有源 MQW 區(qū)域的放大圖像。
通過(guò)對(duì)比 5K 和 300K 下的 PL 發(fā)光強(qiáng)度，研究人員評(píng)估出樣品 A 和 B 的室溫內(nèi)部量子效率（IQE）分別為 33%和 78%。
此外，為更深入理解這一差異機(jī)制，研究人員還開(kāi)展了時(shí)間分辨的 PL 研究，他們提取了快（τ1）和慢（τ2）壽命。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，研究人員認(rèn)為這反映了載流子從弱局域態(tài)到強(qiáng)局域態(tài)的轉(zhuǎn)移，其中緩慢的τ2衰變與局域態(tài)中的載流子復(fù)合有關(guān)。
綜上所述，這一研究成果為硅基綠色氮化銦鎵 LED 的發(fā)展開(kāi)辟了新的道路。相信在未來(lái)，這一技術(shù)將在更低功耗綠色和紅色 Micro-LED 的制造中發(fā)揮重要作用，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新和發(fā)展機(jī)遇。
