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高效、价格合理的半极性 GaN
材料来源： 杂志
半极性(2021)InGaN / GaN多量子阱样品的透射电子显微镜（TEM）横截面图像。插图是半极性(2021)GaN模板的TEM横截面图像。
图形化的蓝宝石衬底为低成本半极性 GaN 提供了基础，其内部量子效率超过 50％。
GaN 的半极性平面因其兼具了有助于辐射复合的弱内建电场和相对容易形成绿色发光器件所需的富铟量子阱两个优势而备受关注。
半极性的局限在于其天然（同质）衬底的价格非常高昂，但是值得庆幸的是，得益于中国团队的工作，很便宜的基于蓝宝石的复合衬底正在显示出很大的希望。
这些研究人员分别来至南京大学，合肥工业大学和江苏大学，他们在蓝宝石衬底上制备了半极性 InGaN 量子阱，其内部量子效率超过 50％。如此高的量子效率鼓舞着人们去进一步实现高效、价格合适的绿色 LED 和激光器。
南京大学的团队发言人刘斌说 ：“我们获得的量子阱具有高晶体质量和低缺陷密度，这对于提高内量子效率至关重要。我们也要感谢 Saphlux在半极性 GaN 模板方面的合作。”
这些半极性量子阱的另一个特性是，它们产生的光致发光寿命仅为 0.5 ns，这突显了它们作为高速通信光源的潜力。根据计算，可以实现一个 1.4 GHz 的 -3 dB 调制带宽，通过高级调制方案甚至可以实现更高的数据速率。但是，Liu 说，由于器件质量不足以处理高注入电流，因此如今的调制带宽限制在 500 MHz 左右。
他和合作者通过将具有宽 3μm、厚 1μm 沟槽结构的蓝宝石衬底装入 MOCVD 室生长具有八个量子阱的异质结构而得到了一系列样品。通过采用一定范围的温度进行量子阱的生长，它们的组份会有所不同。
通过横截面透射电子显微镜观察这些结构，发现第一个量子阱的界面模糊，随后是七个具有陡直，清晰界面的量子阱（见右图）。根据该团队的说法，模糊的界面可能是由下面的 GaN 的不光滑表面引起的。
通过在一定温度范围内进行光致发光测量，研究小组得出了半极性 (2021) 样品发射峰分别在404 nm，460 nm 和 497 nm 及其相应内量子效率值分别为 33％，52％和 25％。
Liu 和他的同事们提出了一个模型来解释内量子效率的这些变化。认为在 460 nm 样品中定位中心比在 404 nm 处发射的定位中心更深，从而降低了载流子到达非辐射中心的可能性。尽管在497 nm 样品中具有更深的定位中心，但较高的铟含量会导致晶体质量下降，进而增加缺陷并且抑制了辐射复合。
该团队的下一个目标之一是提高其半极性GaN 的晶体质量，尤其是在 530 nm 至 560 nm 范围内的。
Liu 说 ：“基于半极性方向，我们计划实现用于全彩显示的微型发光二极管，其具有可靠性高，速度快的特性。”这项工作将在去年的工作的基础上继续进行。去年的工作实现了色偏较小，衰减最少的微型 LED，其在接近 800A cm-2 的驱动电流下外量子效率为 62％。
Liu 和同事还将开发载流子寿命很短的VCSEL。“我们计划得到一种调制带宽大于 1 GHz 的半极性光源。”
扩展阅读
M. Gong et al. Appl. Phys. Express 13091002 (2020)
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