多場(chǎng)調(diào)控氮化物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)及其固態(tài)光源應(yīng)用

林 偉，高 娜，李金釵，黃 凱，蔡端俊，李書平，康俊勇

(廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建省半導(dǎo)體材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，半導(dǎo)體光電材料及其高效轉(zhuǎn)換器件協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 廈門 361005)

光源是人類生存和發(fā)展的重要條件，以白熾燈為代表的光源引領(lǐng)了照明的“電氣時(shí)代”，隨著照明技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，新興的發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)可將電能直接轉(zhuǎn)化為光，相較于白熾燈熱輻射發(fā)光徹底避免了高溫?zé)彷椛涞恼彰髦虚g環(huán)節(jié)，且具有壽命長(zhǎng)、能耗低、發(fā)光效率高、穩(wěn)定性好、光色度純、無頻閃、無紅外和紫外線輻射等優(yōu)點(diǎn).1992年，在藍(lán)光LED取得了技術(shù)突破后，人們利用InGaN基藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉生產(chǎn)白光LED.1996年，產(chǎn)業(yè)界宣布白光LED光效“高達(dá)”12 lm/W[1]，推動(dòng)了LED在照明和顯示領(lǐng)域的普及應(yīng)用.鑒于藍(lán)光LED芯片的技術(shù)進(jìn)步成就了白光LED的應(yīng)用和發(fā)展，2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予高效藍(lán)光LED的發(fā)明者Akasaki I、Amano H和Nakamura S[2].提高光效的努力仍在繼續(xù)，2018年的平均光效己達(dá)到102 lm/W[3]，目前產(chǎn)業(yè)上大功率白光LED的光效已達(dá)到250 lm/W，最近的記錄突破300 lm/W[4].相比之下，普通白熾燈僅有16 lm/W，熒光燈接近70 lm/W[5].國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，崛起了以三安光電、華燦光電以及乾照光電等為代表的LED龍頭企業(yè)，在全球LED市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中領(lǐng)先.中國(guó)現(xiàn)已經(jīng)成為全球最大的照明產(chǎn)品生產(chǎn)、消費(fèi)和出口國(guó)，對(duì)LED的推廣和應(yīng)用做出了很大的貢獻(xiàn).當(dāng)前，光電器件應(yīng)用正向發(fā)射波長(zhǎng)更短、發(fā)射功率更大的方向發(fā)展，以AlGaN半導(dǎo)體材料為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體，將傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料響應(yīng)波長(zhǎng)延伸到紫外的邊界.1998年，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用Al0.2Ga0.8N/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)，研制出第1只波長(zhǎng)短于GaN帶隙(365 nm)的353.6 nm的紫外LED[6].此后，波長(zhǎng)更短的紫外LED和激光二極管(laser diode,LD)相繼問世，AlGaN紫外發(fā)光器件研制取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[7]，在殺菌消毒、環(huán)境凈化、防偽識(shí)別以及生化檢測(cè)等諸多領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用和市場(chǎng)需要[8].當(dāng)前，在常規(guī)能源消耗加劇、環(huán)境污染、新冠疫情暴發(fā)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，固態(tài)光源正迎來前所未有的發(fā)展良機(jī).研究表明，照明用電約占用電消耗的1/4[9]，如果世界范圍內(nèi)使用的白熾燈被LED器件所取代，那么每年可以減少的能耗相當(dāng)于減少了2×108t的CO2排放量[10]，這對(duì)于傳統(tǒng)光源都是難以想象的.顯然，固態(tài)光源的應(yīng)用普及在促進(jìn)節(jié)能減排、健康環(huán)保和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展方面扮演著積極的角色.

盡管固態(tài)光源應(yīng)用前景鼓舞人心，然而器件開發(fā)也面臨著諸多亟待解決的基本科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)難題.外延生長(zhǎng)上，最先遇到的障礙是缺乏合適的襯底.生長(zhǎng)過程中藍(lán)寶石和外延層之間的晶格失配和熱失配大，易導(dǎo)致材料中存在很高的缺陷密度，現(xiàn)有的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體生長(zhǎng)多采用異質(zhì)襯底藍(lán)寶石外延[11].外延生長(zhǎng)通常采用兩步生長(zhǎng)工藝，即采用AlN或GaN緩沖層[12].由于LED器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨后生長(zhǎng)的外延層或器件結(jié)構(gòu)之間晶格參數(shù)的失配易產(chǎn)生殘余應(yīng)力梯度，往往需通過形成大量失配位錯(cuò)和穿透位錯(cuò)加以釋放.其中的位錯(cuò)作為非輻射復(fù)合中心，容易形成漏電通道，顯著降低LED的工作壽命[13].隨著量子結(jié)構(gòu)的尺度不斷減小，在氮化物固有強(qiáng)極化場(chǎng)下電子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加，器件工作時(shí)外場(chǎng)與內(nèi)建極化場(chǎng)間的相互作用易導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)不穩(wěn)定[14]，LED全彩顯示呈現(xiàn)色差以及白光照明的顏色或色溫波動(dòng).此外，器件應(yīng)用亦依賴于氮化物半導(dǎo)體可控的p型摻雜，p型材料層上低阻接觸[15].且在器件光出射光場(chǎng)方面，還需要考慮到氮化物半導(dǎo)體和周圍介質(zhì)之間的平面界面上會(huì)發(fā)生全反射，意味著只有光逃逸錐內(nèi)的輻射光方可從LED芯片中逃逸[16].從影響LED器件性能發(fā)揮的各個(gè)環(huán)節(jié)來看，氮化物半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)和制備涉及包括材料化學(xué)勢(shì)場(chǎng)、極化場(chǎng)、電場(chǎng)以及光場(chǎng)等諸多物理參量，因此系統(tǒng)綜合多場(chǎng)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)氮化物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)及其固態(tài)光源高性能和新性能應(yīng)用的關(guān)鍵.

1 研究現(xiàn)狀及存在的問題

在LED迅猛發(fā)展的今天，盡管固態(tài)光源已成為照明產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展方向，然而其器件制作仍存在自身的特點(diǎn)和難點(diǎn).對(duì)于LED器件的基本結(jié)構(gòu)，自下而上主要包含有襯底、n型氮化物半導(dǎo)體導(dǎo)電層、量子結(jié)構(gòu)有源層以及p型氮化物半導(dǎo)體導(dǎo)電層.外延層間界面應(yīng)力增加了外延生長(zhǎng)的復(fù)雜性，易產(chǎn)生晶體缺陷.尤其是量子結(jié)構(gòu)有源層對(duì)缺陷更為敏感，包括非輻射復(fù)合中心和組分不均勻性.以往的研究表明，臺(tái)階流生長(zhǎng)模式有利于理想界面的量子結(jié)構(gòu)，然而外延層中的應(yīng)變易導(dǎo)致外延生長(zhǎng)從二維生長(zhǎng)模式向三維生長(zhǎng)模式的轉(zhuǎn)變，使量子結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)組分波動(dòng)和粗糙界面引起的不均勻加寬，顯著降低了輻射效率[17]，而且縮短了器件壽命[18].為了提升晶體質(zhì)量，人們提出并應(yīng)用了多種外延生長(zhǎng)技術(shù)，如微/納米尺度側(cè)向外延生長(zhǎng)[19-20]、遷移增強(qiáng)外延[21]以及高溫退火[22].最近有文獻(xiàn)報(bào)道了斜切藍(lán)寶石襯底和表面預(yù)處理對(duì)晶體質(zhì)量的影響[23].盡管生長(zhǎng)高質(zhì)量外延量子結(jié)構(gòu)層的努力仍在繼續(xù)，然而藍(lán)寶石上生長(zhǎng)的GaN位錯(cuò)密度可達(dá)到105～107cm-2[24-25]，AlGaN則高達(dá)約5×108cm-2[22，26].事實(shí)上，金屬有機(jī)物氣相外延(metalorganic vapour phase epitaxy,MOVPE)生長(zhǎng)屬于非平衡過程，源氣的化學(xué)勢(shì)場(chǎng)變化是氮化物半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力的主要來源.通常情況下，化學(xué)勢(shì)取決于實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)條件，介于富Al/Ga或富N之間，可作為外延生長(zhǎng)的重要調(diào)控手段[27].

由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體沿c軸方向結(jié)構(gòu)對(duì)稱性低，晶體具有很強(qiáng)的自發(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)，易引起量子阱的能帶發(fā)生傾斜，使得電子和空穴的波函數(shù)空間分離而導(dǎo)致輻射復(fù)合效率降低和發(fā)光波長(zhǎng)紅移，即所謂的量子限制斯塔克效應(yīng)(quantum-confined Stark effect,QCSE)[28]，往往引起光輻射衰減時(shí)間變長(zhǎng)[29].隨著注入電流的增大，量子阱內(nèi)自由載流子增加，電子和空穴的空間局域性將在一定程度上屏蔽極化場(chǎng)，從而引起發(fā)光峰波長(zhǎng)藍(lán)移[30].已有的量子結(jié)構(gòu)界面研究提出：借助失配應(yīng)力可調(diào)控壓電極化，從而達(dá)到對(duì)強(qiáng)極化場(chǎng)的控制[31-33]；沿著極化調(diào)控的方向進(jìn)一步研究將有助于提高“能帶剪裁”的自由度和準(zhǔn)確性，提升器件的光學(xué)性能.而對(duì)于有源區(qū)量子結(jié)構(gòu)，其載流子的注入也有賴于n型和p型導(dǎo)電層的實(shí)現(xiàn)，然而氮化物半導(dǎo)體材料摻雜呈現(xiàn)非對(duì)稱性，其n型摻雜相對(duì)容易，而良好的p型摻雜相較之下難度則大得多，為實(shí)現(xiàn)可控p型摻雜，業(yè)界付出了諸多努力，包括電子束輻照[34]和熱退火[35].早期的理論研究表明采用超晶格摻雜可以使受主激活效率提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上[36].實(shí)驗(yàn)上，有研究報(bào)道通過調(diào)制摻雜的p型AlGaN/GaN超晶格降低GaN阱中的中性雜質(zhì)散射，使均勻摻雜結(jié)構(gòu)中的遷移率從3 cm2/V提高至8.9 cm2/V[37].近期發(fā)展的p型摻雜漸變組分結(jié)構(gòu)[38]提升了在高功率氮化物基發(fā)光器件中的空穴注入，提高了整體效率[39-40].有關(guān)p型摻雜研究仍在持續(xù)增加，然而提高p型導(dǎo)電仍舊是氮化物半導(dǎo)體繞不開的話題.

值得注意的是，LED在向短波紫外和長(zhǎng)波綠光延伸的進(jìn)展中，難以高效發(fā)光，陷入了兩難的境地.Ⅲ族氮化物基LED外量子效率如圖1所示，可見綠光波段存在所謂的“綠光鴻溝(green gap)”[41-42].而對(duì)于波長(zhǎng)小于250 nm的深紫外LED，見諸報(bào)道的外量子效率不超過10%[43].背后的原因可能是AlGaN特殊的光場(chǎng)各向異性，由于AlN(-169 meV)和GaN(10 meV)晶體場(chǎng)分裂能Δcr呈現(xiàn)顯著差異，輻射光隨著Al成分的增加從正向TE偏振轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向TM偏振，即使不考慮外量子效率受到極大限制，自發(fā)輻射速率和內(nèi)部量子效率也受到負(fù)面影響[44].除此之外，即便不考慮各外延結(jié)構(gòu)層面相關(guān)的困難和挑戰(zhàn)，光抽取效率亦令人擔(dān)憂.LED輻射光線出射至外界空氣時(shí)，在多層平行界面的LED結(jié)構(gòu)中，由于折射率的差異，GaN具有2.3 以上的折射率(隨波長(zhǎng)略有變化)，與空氣折射率差異很大，出射角較小，輻射光在界面上易發(fā)生全反射現(xiàn)象.為了從LED芯片中抽取更多的輻射光，目前較為常規(guī)的方法有通過晶體學(xué)蝕刻實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體表面粗化或紋理化[45-46]、芯片塑形[47]、在頂面上使用反射涂層[48]以及高折射率封裝[49].

圖1 Ⅲ族氮化物基LED外量子效率[50]

基于固態(tài)光源應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，涉及LED外延和器件任一方面缺陷都將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的降級(jí)乃至失效.對(duì)于LED的基本結(jié)構(gòu)而言，復(fù)雜氮化物半導(dǎo)體和量子結(jié)構(gòu)在異質(zhì)界面處表現(xiàn)出極其豐富的新穎物性，且對(duì)外場(chǎng)響應(yīng)敏感，從而影響其極化場(chǎng)、電場(chǎng)、光學(xué)和光電特性及其器件的參數(shù).鑒于LED效率的提升是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，LED器件的制備需要從外延生長(zhǎng)、摻雜以及器件工藝方面設(shè)計(jì)基于多場(chǎng)調(diào)控的整體解決方案.

2 多場(chǎng)調(diào)控研究進(jìn)展

2.1 化學(xué)勢(shì)場(chǎng)調(diào)控

隨著固態(tài)照明技術(shù)的發(fā)展，為了應(yīng)對(duì)照明顯示與日俱增的發(fā)展需求，LED光電器件日益小型化，材料尺度不斷減小，尤其是氮化物量子結(jié)構(gòu)的特征尺度通常只有數(shù)納米.器件芯片的小型化意味著氮化物半導(dǎo)體的生長(zhǎng)制備只能在非平衡條件下完成，對(duì)于適宜規(guī)?；a(chǎn)的MOVPE外延生長(zhǎng)方法顯得尤為明顯，所涉及的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)問題極為復(fù)雜，制約了量子阱等結(jié)構(gòu)品質(zhì)的提高.基于晶體生長(zhǎng)熱力學(xué)，本團(tuán)隊(duì)采用第一性原理模擬原子、分子以及團(tuán)簇等不同反應(yīng)單體在晶體生長(zhǎng)表面的化學(xué)勢(shì)(圖2(a))，揭示了不同反應(yīng)單體隨生長(zhǎng)氛圍變化的規(guī)律，首次闡明了瞬間改變生長(zhǎng)氛圍的作用和機(jī)制.立足于原子或分子等反應(yīng)單體總是從高化學(xué)勢(shì)位置天然地向低化學(xué)勢(shì)位置遷移的原則，首創(chuàng)MOVPE分層生長(zhǎng)法[51]，即依次瞬間改變生長(zhǎng)氛圍(圖2(b))，通過調(diào)控晶體生長(zhǎng)表面的化學(xué)勢(shì)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)單體的分選，達(dá)到吸附單體的有序一致，外延表面呈現(xiàn)原子級(jí)平整度.采用同樣的原理，外延生長(zhǎng)二維量子結(jié)構(gòu)，本團(tuán)隊(duì)率先實(shí)現(xiàn)單分子層量子阱的外延，進(jìn)一步應(yīng)用相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)了變組分?jǐn)?shù)字混晶結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)[52]，見圖2(c)和(d)，為高精度的量子結(jié)構(gòu)制備及其性能的調(diào)控奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為不同科研團(tuán)隊(duì)的外延生長(zhǎng)工作提供了可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)[53-54].

圖2 原子、分子以及團(tuán)簇表面形成焾與化學(xué)勢(shì)關(guān)系(a)，MOVPE分層生長(zhǎng)法生長(zhǎng)示意圖(b)，分子層量子阱結(jié)構(gòu)(0002)面ω/2θ掃描衍射譜(c)，及單分子層量子阱結(jié)構(gòu)高分辨透射電鏡截面(d)

盡管有了可供LED器件制作的高質(zhì)量材料，然而材料的空穴注入?yún)s面臨p型摻雜的挑戰(zhàn).Mg作為氮化物半導(dǎo)體中最有效的摻雜受體，并不總是奏效，尤其是AlGaN材料隨Al組分增加，Mg雜質(zhì)的溶解度迅速下降，空穴激活能也快速上升，導(dǎo)致氮化物中空穴濃度遠(yuǎn)低于器件中注入的電子濃度，成為制約器件外量子效率提高的發(fā)展障礙.圍繞實(shí)現(xiàn)高效p型摻雜的研究，采用第一性原理模擬比較Mg替位雜質(zhì)在晶體內(nèi)和生長(zhǎng)表面的形成焓差異，考察化學(xué)勢(shì)影響下的Mg摻雜行為.研究表明晶體內(nèi)Mg摻雜形成焾為正值，與之截然相反的是，化學(xué)勢(shì)和總能改變量在生長(zhǎng)表面均呈現(xiàn)負(fù)值，具有熱力學(xué)穩(wěn)定性；尤其是富N條件下的化學(xué)勢(shì)場(chǎng)更有利于Mg替Ga/Al位.基于表面吸附特性，本團(tuán)隊(duì)提出了調(diào)制表面工程技術(shù)[55]，通過周期性中斷Ga/Al源供給，實(shí)現(xiàn)極限Ⅴ/Ⅲ比，并使Mg替Ga/Al位大量、長(zhǎng)時(shí)間地占據(jù)表面(圖3(a))，突破了寬帶隙半導(dǎo)體中嚴(yán)格的雜質(zhì)溶解度制約，在Al0.99Ga0.01N材料中，Mg替位濃度可達(dá)傳統(tǒng)摻雜技術(shù)的5倍[55].采用該調(diào)制表面工程技術(shù)，本團(tuán)隊(duì)在生長(zhǎng)p型接觸層時(shí)周期性中斷In/Ga源供給，使得p型接觸層中的鎂摻雜濃度可提高4倍，從而為形成良好的歐姆接觸打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).Mg摻雜濃度的提高雖使費(fèi)米能級(jí)距離氮化物價(jià)帶頂更近，但該距離仍隨著Al組分升高而增大，從而影響了已摻入的Mg雜質(zhì)的空穴激活.針對(duì)該問題，本團(tuán)隊(duì)提出在超晶格不同位置選擇摻入單原子層Mg和Si雜質(zhì)，局域調(diào)控了勢(shì)阱區(qū)域價(jià)帶頂與費(fèi)米能級(jí)的能量間距，與傳統(tǒng)p型Mg摻雜超晶格結(jié)構(gòu)相比空穴濃度提高2倍[56].進(jìn)一步本團(tuán)隊(duì)又提出和設(shè)計(jì)了p型Mg摻雜超晶格結(jié)構(gòu)，減少費(fèi)米能級(jí)附近價(jià)帶能態(tài)的局域化，使空穴濃度比傳統(tǒng)超晶格提高了約10倍[57](圖3(b)).

圖3 調(diào)制表面工程技術(shù)示意圖[54](a)及新型和傳統(tǒng)超晶格樣品的電流-電壓特性[57](b)

2.2 光場(chǎng)調(diào)控

氮化物半導(dǎo)體輻射光依據(jù)偏振特性，可分為從導(dǎo)帶底躍遷至重空穴(HH)/輕空穴(LH)價(jià)帶發(fā)射的尋常o光(TE波)和從導(dǎo)帶底躍遷至晶體場(chǎng)分裂空穴(CH)價(jià)帶所發(fā)射的非尋常e光(TM波).研究表明，隨著氮化物中Al組分的增大，CH帶與價(jià)帶頂?shù)腍H和LH的能差不斷減小，在克分子比例約為0.5處簡(jiǎn)并.更高組分的AlGaN的CH帶占據(jù)價(jià)帶頂，并拉開與HH/輕LH帶能量差，直至AlN時(shí)能量差達(dá)到約0.2 eV[62].對(duì)于沿c軸擇生長(zhǎng)的氮化物而言，帶邊躍遷輻射發(fā)光將以沿外延層側(cè)向傳播的e光為主，而從導(dǎo)帶躍遷至HH/LH的o光能量較高，沿器件正向傳播躍遷輻射光效率低下，從器件的頂面正向?qū)崿F(xiàn)有效光抽取幾乎難以保證.針對(duì)氮化物光學(xué)各向異性，本課題組詳細(xì)分析了不同價(jià)帶的軌道特征，價(jià)帶HH和LH帶主要來自px與py雜化軌道，而CH帶則由pz態(tài)單獨(dú)構(gòu)成.

根據(jù)價(jià)帶頂能帶的軌道構(gòu)成特性，本課題組提出超薄應(yīng)變超晶格，通過在AlN中引入GaN單分子層，利用GaN分子層兩側(cè)界面的軌道雜化平均，獲得與Al0.5Ga0.5N類似的帶邊電子結(jié)構(gòu)，其平均Al組分卻可以遠(yuǎn)高于Al0.5Ga0.5N.基于第一性原理設(shè)計(jì)，采用原子級(jí)MOVPE外延技術(shù)構(gòu)建了厚至4分子層的GaN超薄應(yīng)變超晶格軌道工程結(jié)構(gòu)材料，如圖4(a)和(b)所示；帶邊光吸收表征表明其帶邊輻射躍遷波長(zhǎng)可調(diào)至230 nm深紫外區(qū)域；橢圓偏振光譜測(cè)試進(jìn)一步證實(shí)，e光發(fā)射也得到抑制，如圖4(c)和(d)所示[58].超薄應(yīng)變超晶格的成功實(shí)現(xiàn)，為氮化物的應(yīng)用提供了新的途徑.來自不同科研團(tuán)隊(duì)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)中也采用了類似的結(jié)構(gòu)[59-60]，最近的研究報(bào)道在發(fā)射波長(zhǎng)約260 nm下實(shí)現(xiàn)了2.2 W高輸出功率[61].

圖4 模擬設(shè)計(jì)超薄應(yīng)變超晶格軌道工程結(jié)構(gòu)的介電響應(yīng)函數(shù)(a)和價(jià)帶能態(tài)密度(b)，及MOVPE超薄應(yīng)變超晶格軌道工程結(jié)構(gòu)的(0002)面ω/2θ X射線衍射譜線(c)和橢圓偏振光譜測(cè)試獲得的介電響應(yīng)函數(shù)(d)[58]

在氮化物帶邊電子躍遷所發(fā)射的光中，仍含有相當(dāng)部分非尋常e光沿著外延層側(cè)向傳播而難以從正面出射，制約了光源出光效率的提高.針對(duì)這一問題，本團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次提出在氮化物外延薄膜表面引入納米級(jí)超薄金屬Al膜，利用沿著外延層側(cè)向傳播的e光在Al膜表面感生等離子激元，在表面原子臺(tái)階處將其轉(zhuǎn)化為可從氮化物外延薄膜表面外出射的光線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光傳播方向的變換，如圖5(a)所示.為了利用部分電場(chǎng)垂直于c軸而又沿著外延層正向傳播的尋常o光，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并采用電子束傾斜沉積技術(shù)制備尺寸和密度可控的金屬Al納米點(diǎn)陣，有效地耦合TE和TM波，進(jìn)一步提高了光抽取效率，如圖5(b)所示.

圖5 利用表面等離子體激元實(shí)現(xiàn)出光方向轉(zhuǎn)換示意圖(a)，及沉積金屬鋁納米點(diǎn)陣和無納米點(diǎn)陣紫外LED背出射電致發(fā)光(EL)譜及增強(qiáng)比(b)[62]

量子阱有源層的光發(fā)射除正向和側(cè)向傳播外，向背面基板發(fā)射的反向光線占總光輸出的30%以上.反向光線往往會(huì)被底部基板所吸收，導(dǎo)致發(fā)光效率損失.與TM波激發(fā)表面等離子激元類似，可利用反向光線激發(fā)熒光粉，通過發(fā)射熒光的各向同性，獲得部分正向傳播的熒光.依此，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩層熒光透明基板，固定于基板上的LED芯片的反向光發(fā)射激發(fā)首層透明基板下表面的熒光粉；未激發(fā)熒光的反向光繼續(xù)下行至第2層透明基板下表面激發(fā)熒光.該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于板上芯片封裝光源[63]，發(fā)光角度也從傳統(tǒng)光源120°～130°提高至260°，其取光效率比傳統(tǒng)方法提高了約15%.

2.3 極化場(chǎng)調(diào)控

不同于傳統(tǒng)的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化物具有極強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化場(chǎng)，使其能帶沿著極化的方向彎曲.傾斜的能帶易導(dǎo)致阱中電子和空穴波函數(shù)在空間上產(chǎn)生分離，輻射復(fù)合發(fā)光幾率下降.在外電場(chǎng)作用下，能帶傾斜程度將發(fā)生改變，使得量子能級(jí)位置發(fā)生移動(dòng)；同時(shí)，載流子在填充滿基態(tài)后將填充更高能量的激發(fā)態(tài).發(fā)射的光子波長(zhǎng)產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致發(fā)光顏色隨注入電流而變呈不穩(wěn)定現(xiàn)象.針對(duì)該問題，本團(tuán)隊(duì)結(jié)合第一性原理模擬，考察不同厚度量子阱中量子能級(jí)的數(shù)量和能差，發(fā)現(xiàn)在共格薄阱中極化效應(yīng)弱、能級(jí)分裂小等特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出并設(shè)計(jì)了窄量子阱結(jié)構(gòu).以此結(jié)構(gòu)作為光源的有源層，在大注入電流下，表現(xiàn)出良好的波長(zhǎng)穩(wěn)定性[64]，如圖6所示，避免了因阱中極化場(chǎng)加劇的量子能級(jí)分裂所帶來的高能態(tài)載流子填充效應(yīng).

圖6 采用共格超薄量子阱結(jié)構(gòu)作為有源層的LED EL譜[64]

在極化場(chǎng)作用下，量子結(jié)構(gòu)的能帶不再平直.然而，量子能級(jí)的恒定能量使得勢(shì)阱界面兩側(cè)勢(shì)壘高度出現(xiàn)非對(duì)稱差異.載流子在阱內(nèi)的高勢(shì)壘側(cè)受限，而在低勢(shì)壘側(cè)則部分穿透進(jìn)入壘區(qū).因此，增設(shè)合適的電子和空穴阻擋層十分重要.本團(tuán)隊(duì)考察了沿極化場(chǎng)方向勢(shì)壘的變化，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于其他Ⅲ-Ⅴ族化合物，氮化物空穴和電子阱的勢(shì)壘比例更低[65]，增設(shè)空穴阻擋層更為必要.為此，本團(tuán)隊(duì)首次提出并構(gòu)建了空穴阻擋層[66]，并應(yīng)用于紫外LED，克服了空穴從有源區(qū)穿透進(jìn)入n型區(qū)，抑制了n型區(qū)寄生發(fā)光，提高了空穴的利用效率[67].對(duì)于電子的阻擋，由于電子有效質(zhì)量小，相比于空穴隧穿能力更強(qiáng)，可以增加勢(shì)壘的個(gè)數(shù)，以達(dá)到阻擋效果.然而，氮化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)為Ⅰ類界面，電子的勢(shì)壘也將阻礙空穴注入，設(shè)計(jì)可阻擋電子又可增進(jìn)空穴注入的量子結(jié)構(gòu)成為難于調(diào)和的矛盾.為此，本團(tuán)隊(duì)基于高摻鎂效率p型量子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出了采用定位鎂和硅的δ摻雜超晶格作為電子阻擋層的方案[56]，同時(shí)選用AlGaInN四元混晶作為勢(shì)壘區(qū)材料，以匹配超晶格勢(shì)阱區(qū)材料的晶格常數(shù)，避免了勢(shì)壘能帶因失配應(yīng)變所導(dǎo)致的彎曲形變，達(dá)到既有效阻擋電子又可提高空穴注入效率的效果，在5～240 mA驅(qū)動(dòng)電流下比未采用該結(jié)構(gòu)LED的效率衰減(Droop效應(yīng))降低了8%，極大地緩解了大電流下的能效衰減[68].

2.4 電場(chǎng)聯(lián)合調(diào)控

低電阻歐姆接觸是實(shí)現(xiàn)高性能器件的基礎(chǔ).然而，氮化物材料禁帶寬度大，金屬與半導(dǎo)體接觸面形成較高的接觸勢(shì)壘，增大了歐姆接觸制備的難度.人們通常采用各種不同的金屬合金結(jié)構(gòu)形成歐姆接觸.然而，大部分金屬電極材料對(duì)可見乃至深紫外光有很強(qiáng)的吸收；且由于p型氮化物材料電阻率高，傳統(tǒng)電極不可避免地存在電流橫向擴(kuò)展不暢，產(chǎn)生電流聚集效應(yīng)，極易導(dǎo)致器件發(fā)光發(fā)熱不均勻.針對(duì)該問題，本團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)銅納米絲透明電極，利用納米金屬絲周邊功函數(shù)的局域變化，實(shí)現(xiàn)了與n-和p-GaN導(dǎo)電層的歐姆接觸，且在全波段范圍內(nèi)均具有良好透光性和導(dǎo)電性能，制備了世界上首顆銅納米絲透明電極的藍(lán)光LED芯片.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將各類金屬如鈦、鎳、銀等及其二元、三元合金包裹于銅納米絲表面，對(duì)其進(jìn)行自如的改性，制作出可應(yīng)用于不同光電器件的柔性透明電極[69-70](圖7).

圖7 超細(xì)超長(zhǎng)銅納米絲網(wǎng)絡(luò)掃描電鏡圖(插圖：柔性透明導(dǎo)電薄膜)(a)；銅納米絲透明電極與n、p-GaN呈現(xiàn)線性I-V曲線特性，實(shí)現(xiàn)歐姆接觸(插圖：LED芯片)(b)；銅納米絲藍(lán)光LED發(fā)光測(cè)試圖(c)；采用金屬包裹銅納米絲透明電極制備的深紫外LED的I-V曲線特性[70](d)

隨著外量子效率的提高，大功率LED光源已成為人類照明的主角.在大電流工作條件下，量子效率的下降引起了業(yè)界廣泛重視.研究表明，除上述應(yīng)力和極化場(chǎng)可控制Droop效應(yīng)外，調(diào)控LED芯片中的電場(chǎng)可避免電流的擁堵并減少電子的俄歇復(fù)合[71].然而，傳統(tǒng)倒裝芯片的電流擴(kuò)散均由金屬擴(kuò)展條承擔(dān)，效果不理想.針對(duì)這一問題，本團(tuán)隊(duì)結(jié)合光場(chǎng)調(diào)控的分布布拉格反射(DBR)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出穿過DBR結(jié)構(gòu)進(jìn)入p型氮化物以接近有源區(qū)量子阱的小面積金屬接觸電極，使電流均勻注入p型層；同時(shí)利用銅納米金屬絲激發(fā)表面等離子激元，并與量子阱中激子光輻射耦合，大幅提高了電流傳導(dǎo)速率、分布均勻性、輻射發(fā)光效率乃至器件的外量子效率[72-73].

對(duì)于大功率LED光源，工作時(shí)的溫升將直接影響芯片中量子能級(jí)的位置、躍遷幾率及其壽命等.然而，在傳統(tǒng)的倒裝芯片結(jié)構(gòu)中，電極正下方電流密度大，量子阱發(fā)光強(qiáng)，溫升也高，難于采用熱導(dǎo)率高的金屬電極同時(shí)滿足與p和n型GaN的歐姆接觸.為此，本團(tuán)隊(duì)在芯片中心區(qū)域增加了高熱導(dǎo)的金屬Cu熱沉，將量子阱有源層中的熱量導(dǎo)出芯片，利用DBR的絕緣特性與p和n型一維柱狀電極電分離；同時(shí)，配合在鏡面鋁基板上相應(yīng)位置壓合高導(dǎo)熱絕緣層、鋪設(shè)線路、噴涂油墨等，使芯片p和n電極的焊點(diǎn)與熱沉封裝后分離，進(jìn)而提高了可靠性和光效，減少了開路死燈概率[74].

3 總 結(jié)

半導(dǎo)體固態(tài)光源具有光效高、能耗低、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，已成為高新產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn).以氮化物為代表的化合物半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體固態(tài)光源的核心.本團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)中，基于化學(xué)勢(shì)場(chǎng)調(diào)控創(chuàng)新開發(fā)分層生長(zhǎng)技術(shù)，調(diào)控晶體生長(zhǎng)表面化學(xué)勢(shì)場(chǎng)，解決了氮化物MOVPE非平衡生長(zhǎng)過程中預(yù)反應(yīng)強(qiáng)、原子表面遷移率低、材料二維生長(zhǎng)難于精準(zhǔn)控制等難題，率先實(shí)現(xiàn)單分子層量子阱的外延.在此基礎(chǔ)上，提出調(diào)制表面工程技術(shù)，突破了寬帶隙半導(dǎo)體內(nèi)嚴(yán)格的雜質(zhì)溶解度制約；創(chuàng)新設(shè)計(jì)了摻雜量子結(jié)構(gòu)，調(diào)控電子化學(xué)勢(shì)，提高雜質(zhì)激活效率，使空穴濃度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提高約10倍.光場(chǎng)調(diào)控方面，設(shè)計(jì)開發(fā)軌道工程結(jié)構(gòu)材料增進(jìn)正面出射光躍遷的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)各向異性材料向光學(xué)各向同性的轉(zhuǎn)變，借此突破了高Al組分氮化物以側(cè)向出光為主的局限.率先引入金屬Al表面等離子激元量子能量轉(zhuǎn)換和雙層熒光透明基板背射光場(chǎng)轉(zhuǎn)換光增強(qiáng)機(jī)制，調(diào)控氮化物光傳播方向，提高器件的出光效率.采用極化調(diào)控，創(chuàng)新設(shè)計(jì)共格應(yīng)變窄量子阱結(jié)構(gòu)，提高輻射復(fù)合幾率和發(fā)光波長(zhǎng)穩(wěn)定性.創(chuàng)新提出選擇載流子的阻擋量子結(jié)構(gòu)，在有效阻擋電子的同時(shí)提高了空穴注入效率，極大地緩解大電流下的能效衰減.為了實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)聯(lián)合調(diào)控，創(chuàng)新研制了銅納米絲透明電極，利用納米金屬絲周邊功函數(shù)的局域變化，實(shí)現(xiàn)與n和p型GaN導(dǎo)電層的歐姆接觸，并在全波段范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好透光性.針對(duì)接觸電極創(chuàng)新設(shè)計(jì)穿過DBR結(jié)構(gòu)進(jìn)入p型氮化物以接近量子阱的小面積金屬接觸復(fù)合三維電極結(jié)構(gòu)，利用銅納米金屬絲激發(fā)表面等離子激元，并與量子阱中激子光輻射耦合，提高輻射發(fā)光效率、電流傳導(dǎo)速率、分布均勻性乃至器件的外量子效率.基于長(zhǎng)期的技術(shù)成果積累，率先聯(lián)合調(diào)控化學(xué)勢(shì)場(chǎng)、極化場(chǎng)、電場(chǎng)以及光場(chǎng)等，取得其在固態(tài)光源的規(guī)?；瘧?yīng)用，生產(chǎn)出超高光效GaN基白光LED產(chǎn)品，小電流均大于250 lm/W，大電流均大于200 lm/W，且性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際前列，研究成果為固態(tài)光源產(chǎn)業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展.投入應(yīng)用的高光效LED芯片產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，性價(jià)比高，得到廣大客戶的認(rèn)可和廣泛的好評(píng)，為業(yè)界提供了更好的產(chǎn)品選擇，促進(jìn)LED國(guó)產(chǎn)芯片的快速應(yīng)用，不斷提高中國(guó)內(nèi)地芯片企業(yè)的國(guó)際地位.