基于外延层残余应变调控的InGaN基红光LED器件

 

III族氮化物半导体可用于固态照明、电源和射频设备的节能。Micro-LED显示器满足各种场景，性能优于OLED和LCD。与AlInGaP材料相比，InGaN更有利于红色Micro-LED。基于C平面InGaN的红色LED在几种技术中仍然占主导地位。InGaN量子阱晶体质量差导致效率降低。

近日，第九届国际第三代半导体论坛（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）于厦门召开。期间，“Mini/Micro-LED及其他新型显示技术”分会上，南京大学助理教授庄喆做了“基于外延层残余应变调控的InGaN基红光LED器件”的主题报告，分享了最新研究成果。涉及InGaN红色LED外延生长面临的挑战，InGaN基红色LED的外延生长策略、InGaN红色量子阱生长压力的优化，应变调制，使GaN模板更厚、在β-Ga2O3衬底上选择GaN、InGaN原位分解层（DL），PSS上厚GaN模板上的InGaN红色LED，具有InGaN原位DL的InGaN红色LED，屏障中不同Al含量的性能比较，不同芯片尺寸的InGaN红色微型LED，PSS上高效的红色InGaN微发光二极管，InGaN红色LED的温度稳定性等。

 

InGaN基发光二极管（LED）是蓝绿光波段的高效光源，并在过去几十年成功商业化。将其光谱范围扩展到红色区域会导致InGaN基LED效率显著降低。这种降低主要归因于高In含量的InGaN量子阱（QWs）的晶体质量差，这是由于晶格失配和低生长温度所致。

其研究通过优化外延结构和生长条件来展示了红色LEDs 及微型LEDs的改进性能。InGaN基红色LEDs是通过金属有机气相外延法在传统的c面图案化蓝宝石衬底上生长的。研究使用了升高生长压强从200到550Torr的方法将InGaN量子阱的发射波长扩展至黄红光区域。这种方法获得的4英寸外延片发光波长具有很好的均匀性，标准偏差为3.3 nm。提出了一种原位InGaN分解层（DL）和多个GaN保护层的模板结构，使用这种结构可以使GaN模板的残余应变得到缓解，从而使峰值波长平均红移了15 nm。尽管插入分解层会使表面形貌略有恶化，但4英寸外延片上的发光波长仍然保持均匀，标准偏差为3.4 nm，同时，外量子效率（EQE）和插座效率（WPE）分别约为8.2％和7.2％。 

研究还优化了势垒中的Al组分以进行应变补偿。这是一种在实现具有高插座效率的InGaN红色微型LEDs方面的权衡方法。较高的Al组分可以有助于提高铟并入，但会阻碍载流子注入而导致工作电压升高。结果发现，微量的5％Al掺杂是实现1A/cm2下低电压2.15V的最佳方法，同时，直径为10μm的微型LEDs的插座效率在1A/cm2下约为4％。此外，研究还使用光致发光和寿命分布情况来检查微型LEDs中的侧壁效应。这些红色InGaN微型LEDs的结果表明了InGaN材料在未来全彩显示应用中的巨大潜力。 

审核编辑：刘清