UVC-LED驶入低成本4英寸时代的推手：应力调控

近年来，受全球流行新冠疫情的影响，具有快速高效杀菌能力的深紫外波段发光二极管(UVC-LED)受到了业界的广泛关注， UVC-LED的研究和产业均开始迅速发展。然而与蓝光LED相比，UVC-LED外延片至今仍局限于2英寸工艺制程，芯片规模化制造成本较高。其最主要原因是由于衬底应力-器件外延工艺存在着极其复杂的耦合关系：以纳米图形化蓝宝石为衬底所制备的AlN模板虽然可以满足UVC-LED高晶体质量AlGaN材料的外延生长，但其极强的张应力会导致外延片表面存在严重的开裂现象，并随着晶圆尺寸的增大而越发严重；而基于平片蓝宝石的高温热退火AlN模板（HTA-AlN）则具有强压应力，从而在外延上层AlGaN区域时造成表面的严重粗化。因此AlN薄膜的应力调控是实现UVC-LED向大尺寸晶圆进发的必经之路。

北京大学王新强教授团队与松山湖材料实验室第三代半导体团队深入合作，通过在高结晶质量HTA-AlN上设计引入3D-2D应力调制层，在以压应力为主的HTA-AlN表面外延制备了一层张应力的氮化铝过渡层，成功的兼容了压应力压制裂纹与张应力降低表面粗糙度的双重优点。该工作最终在前期团队制备的4英寸高质量HTA-AlN基础上首次成功实现了4英寸表面平整无裂纹高性能UVC-LED外延片。通过对外延片及所制备LED芯片的进一步性能测试，如图(c)-(g)，4英寸UVC-LED外延片/芯片展现出了均匀性优异、高单色性、高发光功率等一系列优点。该工作为实现UVC-LED与传统蓝光LED工艺的无缝对接铺平了道路，能够降低制造成本从而推动了UVC-LED的普及。

图 (a) 4英寸HTA-AlN模板上通过MOCVD制备的UVC-LED结构示意图；(b) UVC-LED在MQWs区域的HAADF-STEM图像；(c) 方块电阻分布图(单位：Ω/sq)；(d) PL波长分布图(单位：nm)和(e)应变调制HTA-AlN模板上4英寸UVC-LED晶片的EL照片；(f) HTA-AlN模板上倒装UVC-LED芯片的EL发光谱和(g)输出功率曲线。

该成果以题为“Drive High Power UVC-LED Wafer into Low-Cost 4-Inch Era: Effect of Strain Modulation”近日发表于Advanced Functional Materials (https://doi.org/10.1002/adfm.202112111)。