【前沿技术】中科院宁波材料所郭炜：铝镓氮深紫外量子阱及LED，斜切角衬底及横向极性畴的影响研究

近日，由国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）与第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）主办，南方科技大学微电子学院与北京麦肯桥新材料生产力促进中心有限公司共同承办的第十七届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA 2020）暨2020国际第三代半导体论坛（IFWS 2020）在深圳会展中心召开。

期间，由山西中科潞安紫外光电科技有限公司、中微半导体设备（上海）股份有限公司共同协办的“固态紫外器件技术分会”上，中国科学院宁波材料技术与工程研究所副研究员郭炜分享了铝镓氮深紫外量子阱及LED：斜切角衬底及横向极性畴的影响研究成果。

由于纤锌矿III族氮化物晶格非中心对称性的特点，AlGaN薄膜具有强烈的自极化效应。因此在c方向上，AlGaN存在金属极性和氮极性两种极性面，其内建电场方向、表面能、以及化学稳定性均存在巨大差异。利用这一特点，研究在前期的工作中制备了具有横向极性结构的UVA波段 GaN/AlGaN 多层量子阱(MQW)， 即同一片衬底上同时生长有金属极性和氮极性畴。这一结构充分利用了氮极性和金属极性的优势，发光强度和内量子效率相比于均匀结构都有着明显的提升。
 

然而，随着铝组分的提升，MQW和紫外LED的发光波长进入UVC波段。构建横向极性结构遇到了挑战，这主要归因于高铝组分AlGaN的三维形核生长导致氮极性、横向极性结构的质量恶化，以及在极性反转畴附近因AlGaN薄膜中Ga原子的横向扩散导致的金属极性和氮极性发光波长的分离。因此，通过外延生长中衬底预处理条件的优化，研究消除了因原子横向迁移导致的金属极性和氮极性发光波长30 nm的差异。
 

此外，通过插入AlGaN/AlN超晶格结构，氮极性区域的表面形貌得到了明显改善，晶体质量有所提升。最终，实现了横向极性结构275 nm 单峰发光，并且基于微区光谱证明了在极性反转畴界面处，MQW的发光强度提升了一个数量级。在开尔文探针显微镜、X射线光电子能谱的帮助下，得到了极性反转畴界面的横向能带结构。由于不同极性畴表面电势的差异，金属极性和氮极性之间存在势垒，有助于电子和空穴在界面处聚集从而高效地辐射复合。
 

通过第一性原理分析，得到了AlGaN 横向极性结构的DOS分布和能带图，与实验结果吻合良好，这也进一步证明了横向极性结构对于载流子输运和复合的影响作用。相关工作为深入理解横向极性结构的发光特性提供了理论和实验依据，为开发新型高效深紫外光电器件提供了全新的思路。
 

郭炜博士2014年博士毕业于美国北卡罗来纳州立大学,2016年加入中科院宁波材料所任副研究员。研究方向为第三代半导体材料与器件。主要研究兴趣包括高铝组分AlGaN 材料的MOCVD 外延、氮化物极性调控及新型光电子/电力电子器件等。郭博士目前主持、参与科技部重点研发计划、宁波市“科技创新2025重大专项”、国家自然科学基金面上/青年基金、浙江省重点研发计划等课题，在SCI 期刊杂志发表论文40余篇，论文引用近1000余次，申请中国发明专利10余项。