在蓝宝石上实现高效紫外光

具有面对面退火的 氮化铝（AlN ）模板可提高深紫外 LED 效率

来自日本的一个团队声称，在深紫外光发射的有源区域的内量子效率，现在它在 AlN 模板上与在自支撑块状衬底上几乎一样高。

通过使用溅射和退火形成的模板最大限度地减少光猝灭位错，该团队是山口大学、国立技术研究所和Mie大学的合作组成，他们已经制造出了内量子效率为 90% 的多量子阱异质结构。

该团队的发言人山口大学的 Yoichi Yamada 告诉 《 》（Compound Semiconductor），这项合作预计其样品的量子效率非常高，因为计算位错密度为 2 x 10⁸ cm^-2 时效率超过80%。 “我们的研究首次通过实验证明了[效率]。”

这一成功可能会为商用深紫外 LED 的爆炸性增长提供支持。那些建立在体 AlN 衬底上的器件具有出色的内量子效率，但由于衬底成本高，因此成本很高。

除了降低成本外，使用蓝宝石衬底制造此类发射器有助于工艺开发并提高可靠性，正如蓝色发光 LED 的进步所证明的那样。

“此外，蓝宝石的折射率接近二氧化硅的折射率，这使得它在光提取结构中具有优势”，Yamada 说。

他和他的同事已经在模板上制造了发光有源区，这些模板是通过在 c 面蓝宝石衬底上溅射沉积 AlN 薄膜形成的，该衬底向 m 轴偏移 0.2°。为了在 MOCVD 生长之前提高材料质量，研究人员将成对的 AlN 模板的面放在一起，然后在氮气下退火，这通常需要几个小时。根据 X 射线衍射测量，该工艺将 AlN 薄膜中螺位错和刃位错分别减小到仅 1.2 x 10⁶ cm^-2 和 3.3 x 10⁸ cm^-2。

在此基础上，该团队添加了一个有源区，由十个厚度为 2 nm 的 Al_0.50Ga_0.50N 量子阱形成，由 6 nm 厚的 Al_0.75Ga_0.25N 势垒隔开。用硅掺杂阱和势垒降低了由阳离子空位组成的非辐射复合中心的密度。为了提供评估该发光结构，该团队在 MOCVD 生长的 AlN 衬底上复制了有源区，该模板的螺位错和刃位错密度分别为 2.9 x 10⁷ cm^-2 和 9.1 x 10⁸ cm^-2。

通过在不同温度下进行光致发光测量，并假设该效率在绝对零度时为100%，从而推导出内量子效率。这种方法确定了通过溅射形成基底的样品的室温内量子效率值为 90%，而对照组仅为 58%。

通过考虑在一定激发密度范围内的内量子效率，该团队在包含溅射模板的样品中发现了 10 K温度下的效率平台。这一特征表明，在低激发密度下，非辐射复合中心要么完全饱和，要么完全冻结。相比之下，在相同温度下，对照样品中的非辐射复合中心是活跃的。基于这一发现，研究人员得出结论，使用面对面退火的 AlN 模板会降低有源区域中非辐射复合中心的密度。

通过提高样品温度，Yamada 及其同事确定内量子效率在 400 K 时高达 66%，在 500 K 时高达 33%（见上图）。他们将如此高的值归因于 400 K 以下非辐射复合中心的微不足道的热激活。

该团队现在正计划制造和设计 LED 光提取结构，并优化量子阱结构。

参考资料

H. Murotani et al. Appl. Phys. Express 14 122004