破纪录，这一团队研发出紫外新样品

UVLED风向 · 2023-11-30

行家说UV 导读：

目前，在AlN基底上生长AlGaN层的过程中进行缺陷控制，可确保紫外发光二极管、激光器和雪崩光电二极管实现破纪录的性能。

▊几乎不受杂散光的影响

图1：（左）UVA（360-320 nm）、UVB（315-280 nm）和UVC（280-200 nm）激光二极管的潜在应用。(右图）氮化镓和AlN的带隙发射，说明三元半导体AlN可覆盖UVA、UVB和UVC波长范围。

据了解，在紫外线范围内工作的半导体器件也很有希望成为光探测的候选器件。这又是一个以芯片为基础的替代技术（这次是雪崩光电二极管(APD)）取代玻璃罩的现有技术（这次是光电倍增管）的故事。后者结构紧凑、重量轻、运行电压低，可确保长期运行并具有最高的可靠性，而且具有出色的检测特性：灵敏度高、增益大、太阳光谱抑制能力强，这意味着它几乎不受杂散光的影响。

得益于所有这些特性，在紫外线下工作的雪崩光电二极管具有在许多应用中部署的潜力。由于中紫外和远紫外探测器阵列的发展，这些设备不仅可用于自主和深空运行的原子钟，还可用于天文学、空间观测、量子传感和其他紫外摄影领域。

在紫外线范围内工作的发光二极管和光电探测器，以及在这一光谱范围内发光的激光器，都使用相同的材料系统。所有这些设备都是由三元合金AlGaN制成的，其带隙在3.4 eV到6.03 eV之间变化，相当于365 nm到205 nm（见图1，其中详细介绍了这种具有巨大潜力的合金的广泛应用）。

图2.X射线衍射2θ-ω扫描的AlN同层外延层与基底的对比（左图）和高分辨率透射电子显微镜下的AlN同层外延薄膜，显示出整个界面上完美的晶格连续性（箭头所示）（右图）。

器件层中的各种因素阻碍了AlN光电子技术的实现。这些器件的开发人员不得不应对器件层内的挑战，这些挑战与掺杂和非辐射重组有关，而材料表面的困难则导致欧姆接触不良和钝化效果不佳。

所有这些障碍的主要根源来自晶体缺陷。这些缺陷包括：扩展缺陷，如位错；点缺陷，包括杂质、空位及其复合物。在蓝宝石和碳化硅等衬底上生长AlN异质结构时，与外延层之间的高度晶格失配会导致高穿线位错密度。

这些紫外线LED材料的缺陷导致其效率低、输出功率低，无法用于消毒。这些缺陷也是导致缺乏基于AlN量子阱的激光器能在300 nm以下波长发射的原因，以及缺乏基于AlN的商用APD和其他探测器的原因。虽然有几个研究小组报告了在蓝宝石衬底上生长的具有高铝含量（x>0.4）的AlxGa1-xN层的APD，但这些探测器因器件面积和信号增益之间的权衡而受到影响。主要原因是螺位错密度过高，导致二极管在反向偏压下过早击穿，以及漏电流引起的高噪声水平。需要注意的是，AlN光电二极管的盖革模式操作尚未得到验证。

图3：（左）AlGaN在标称铝含量为80%的AlN上的高分辨率透射电子显微镜显微照片；在异质外延界面或AlGaN中均未观察到位错。中）Al0.7Ga0.3N生长在沧桑（0001）取向AlN上的原子力显微镜图像。表面由理想的双层台阶组成，均方根粗糙度小于50 pm。右图）带有电子阻挡层的Al0.55Ga0.45N/Al0.65Ga0.35N多量子阱结构的扫描隧道电子显微镜图像。所有阱和势垒都定义明确，成分均匀。

▊采用了掺镁氮化镓空穴注入层

热衷于利用AlGaN开发紫外线光电子技术的人所面临的另一大挑战是，当铝含量较高时，镁受体的活化能会增加。一个不必要的后果是补偿点缺陷的增加，如氮空位。这些趋势的结果是，在富含铝的AlN中实现p型掺杂并产生相关的p型导电性具有挑战性。电阻率通常超过50Ωcm，阻碍了载流子注入，并带来显着的功率损耗，从而影响效率。除了这些电气方面的挑战外，添加镁还会在波导中产生吸收损耗，从而阻碍激光器的运行。

为了解决富铝氮化镓的欧姆接触不良问题，许多器件设计人员采用了掺镁氮化镓空穴注入层。保持该层的薄度可实现欧姆接触和高效载流子注入，但却以牺牲所需的紫外光谱吸收为代价。由此产生的严重吸收损耗会影响发射器和探测器。

幸运的是，这些问题并没有困扰AlN的n型掺杂，铝含量高达80%的AlN已经得到证实。然而，设备开发人员仍然面临着AlN的点缺陷问题。阻碍峰值电导率的是高掺杂极限，这会导致通过空位和络合物进行自我补偿；还有一个低掺杂极限，由于碳等杂质的存在，会在量子阱中引入重组中心，并在倍增区产生泄漏。由于这些问题，点缺陷控制是高性能紫外线光电子学的先决条件。

加入UV LED群，可添加岑夕（cenxitalk）

在北卡罗来纳州凯里的Adroit Materials公司，我们正在与合作伙伴合作，为电子和光电设备的生产提供支持，我们在基于AlN的最先进外延结构和模板的生长、表征和交付方面拥有丰富的专业知识。高质量材料生长的关键是我们的缺陷控制技术，其中包括通过在AlN和氮化镓单晶衬底上进行同源外延来扩展缺陷控制。

我们工作的基础是通过物理气相传输技术生长的高质量AlN束，该技术已获得多家公司的许可并已商业化。从这些小球上切割下来的基片，其平均穿线位错密度低于103 cm-2-这比在蓝宝石上生长的AlN/氮化镓的穿线位错密度超过109 cm-2提高了一百万倍。

根据X射线衍射研究和高分辨率透射电子显微镜，当我们在AlN单晶衬底上生长AlN薄膜时，界面上不会形成新的缺陷，而且晶格具有完美的连续性（见图2）。有了这一基础，当我们在AlN基底上以拟态生长的方式进行AlN的异质外延时，我们的外延结构就不会出现穿线位错，并且具有原子级的光滑表面。这些优点使我们能够获得近乎理想的界面和质量优异的多量子阱结构（见图3）。

利用这种生长技术，我们可以使用单晶衬底作为基础，制备出几乎扩展无缺陷的AlN薄膜，从而构成激光器、发光二极管和APD的各种有源层。值得注意的是，在氮化镓基底上生长AlN会导致拉伸应变和开裂。

▊开发点缺陷控制框架

因此，要在这一替代基底上实现高质量的薄膜，就需要采用面控制外延层过度生长这一更为复杂的技术。我们开发了点缺陷控制框架，如化学势控制和缺陷准费米级控制。这些技术使我们能够有针对性地减少器件AlGaN层中的杂质。反过来，我们也能够突破AlN的掺杂极限，改善导电性和载流子传输，同时降低热和非辐射重组损耗。

图4.(a)蓝宝石和AlN上掺硅Al0.7Ga0.3N的电导率。(b)在AlN上生长的样品，由于位错密度低，加上点缺陷控制，非辐射系数(A)降低了几个数量级，从而产生了（插图）内部量子效率超过90%的光致发光。(c)AlN衬底上的AlN APD性能与生长在蓝宝石上的AlN APD性能的比较，以及（插图）AlN上的封装APD。(d)在AlN衬底上实现的光泵浦激光器的低紫外激光阈值记录和激光器结构的显微照片。

器件性能的各个方面都得益于我们的扩展和点缺陷控制。通过减轻硅掺杂nAlGaN中的自补偿，这些层可以实现高达150 S cm-1以上的电导率。由于使用了我们的缺陷控制框架，非辐射重组率非常出色，提高了三个数量级，确保了超过90%的破纪录内部量子效率。利用这些优点，我们展示了AlGaN多量子阱激光器结构，其激光阈值小于10 kW cm-2，创历史新低（请注意，第一个电注入紫外激光二极管和最好的光泵浦激光二极管都是以单晶基底为基础的）。

最后，我们已经证明，就增益和效率的乘积而言，在广泛的检测范围内，APD的性能提高了近两个数量级。这一成果使AlN氮化镓日盲型APD在技术上具有可行性。

来源：compoundsemiconductor、作者ADROIT MATERIALS 的 PRAMOD REDDY、RONNY KIRSTE、RAMON COLLAZO 和 ZLATKO SITAR、行家说UV整理

END

▼