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V型缺陷可提高红色InGaN LED的性能
2023/12/27 9:25:19 材料来源：雅时
美国加州大学圣巴巴拉分校一直在探索V型缺陷的潜力，以提高红色/橙色发光二极管（LED）器件的性能，其中红色/橙色LED中存在含铟量高的氮化铟镓（InGaN）多量子阱（MQW）。[Jacob J. Ewing et al, Optics Express, v31, p41351, 2023]
研究团队报告称，图案化蓝宝石衬底（PSS）上的器件具有6.5%的峰值外部量子效率（EQE），“学术文献报告了图案化蓝宝石衬底上红色/橙色InGaN LED的最高效率，此数值便是其中一个。”研究团队补充道：“这一结果非常重要，因为图案化蓝宝石衬底广泛应用于LED行业，对大规模生产InGaN LED而言，是一种性价比高、光提取效率高的衬底。”
为减少InGaN系统中的缺陷形成已经付出很多努力，但研究团队发现，对长波长而言，在穿透位错上成核的V型缺陷可通过倒金字塔形的{10-11}半极侧壁提高空穴注入效率。
硅（Si）上生长的III族氮化物结构更易使V型缺陷成核。事实上，南昌LED公司通过使用GaN-on-Si模板和V型缺陷工程，报告称注入电流密度为0.8A/cm2时，波长约600nm的电光转换效率（WPE）为27.5%，波长620nm的电光转换效率（WPE）为16.8%。
在图案化蓝宝石衬底上实现V型缺陷效益更具挑战性。与硅或平坦蓝宝石上生长的材料相比，图案化蓝宝石衬底上生长的InGaN通常具有较低的缺陷密度。另一方面，由于图案化蓝宝石表面的光散射减少了全内反射，图案化蓝宝石衬底器件的光提取效率往往更高。如果衬底的上下表面都是平的，那么全内反射就会阻碍InGaN LED结构发光。
加州大学圣巴巴拉分校团队采用大气压金属有机化学气相沉积法，在图案化蓝宝石衬底和（111）硅（Si）上生长InGaN LED的外延结构（图1）。图案化蓝宝石衬底模板上的GaN包含2.75 μm掺硅n型GaN。GaN-on-Si由Enkris Semiconductor Inc供应（800nm缓冲层、2 μm无意掺杂层、2 μm掺硅层）。
图1：（a）红色InGaN LED的外延结构；（b）生长表面的SEM图像，其中V型缺陷为空缺状态。
加州大学圣巴巴拉分校的结构包括一个40期的超晶格，目的是在形成7期多量子阱有源区之前使较大的V型缺陷成核并捕获杂质。根据热电偶读数，超晶格层和多量子阱层的生长温度分别为920°C和775°C。阱之间的势垒以低温和高温步骤（LT和HT）生长。阱上的氮化铝镓（AlGaN）帽层抑制了高温势垒生长过程中的铟解吸。该结构的顶层为掺镁电子阻挡层（EBL）和p型接触层。
采用110nm的氧化铟锡（ITO）透明p型接触、700nm高的台面、二氧化硅/五氧化二钽/氧化铝（SiO2/Ta2O5/Al2O3）全向反射器（ODR）、原子层沉积（ALD）SiO2侧壁钝化来制造LED和μLED。金属触点为铝/镍/金。
量子阱的光致发光波长主要在500-650nm之间。而V型缺陷侧壁的部分发光波长约为420nm，因为此处的量子阱更薄，含铟量更少。GaN/硅上的外延材料显示出强度振荡，因为光在平坦的顶部表面和底部表面之间反射，进而产生了法布里-佩罗干涉。图案化蓝宝石衬底上的材料具有更平滑的光致发光光谱，因为图案化表面散射的光可中断法布里-佩罗效应。
研究人员报告称，对于面积为0.1mm2的封装全封闭LED，外部量子效率（EQE）和电光转换效率（WPE）的峰值分别为6.5%和3.5%。注入电流密度为28A/cm2时外部量子效率达到峰值，20A/cm2时电光转换效率达到峰值。注入电流密度从20A/cm2变为28A/cm2，波长也会从595nm蓝移到590nm。注入电流密度较低时，波长大于600nm，但在100A/cm2时，波长缩短至575nm左右。
研究人员评论道：“产生蓝移是因为注入载流子屏蔽了量子阱中的大电场。高效率则归功于通过V型缺陷半极侧壁进行的横向注入，以及图案化蓝宝石衬底对光提取效率的增强。此外，V型缺陷可能通过粗化顶部表面来增强光提取效率。但是，如果优化p-GaN生长条件，使V型缺陷完全填满，就能基本消除这一效应。”
考虑到未来的改进，研究小组对图案化蓝宝石衬底上的外延材料进行了一系列分析。在透射电子显微镜成像中，研究人员发现了大型V型缺陷（VD）和其他一些缺陷。后者可能导致电子和空穴的非辐射复合，从而降低LED器件的光输出功率及效率。特别的是，透射电子显微镜成像显示存在堆垛层错区（SFB），研究小组称其“很可能是一个重要的非辐射中心”。研究人员希望，通过改进生长技术，可以消除堆垛层错区并减少非预期缺陷的数量。
另一个忧虑是V型缺陷的密度相对较低，约为1x108/cm2。研究人员评论道：“这一密度远低于南昌LED公司在(111) Si上达到的密度，可能是因为图案化蓝宝石衬底LED的电压升高或电光转换效率降低。”
图2：图案化蓝宝石衬底上红色LED的（a）晶带轴和（b）非晶带轴暗场（DF）散射对比透射电子显微镜（TEM）图像。（c）暗场平面透射电子显微镜图像。（d）明场（BF）平面透射电子显微镜图像。
要完全实现横向注入，V型缺陷的间距就需要达到横向扩散长度，即100nm左右。在透射电子显微镜图像显示的密度下，V型缺陷之间的平均距离约为1μm，约为扩散长度的10倍。特别的是，在这个距离上，由于合金波动效应，空穴很难在阱中均匀分布。
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