有源區(qū)量子阱的內(nèi)量子效率（IQE）低是在眾多制約AlGaNDUV-LED發(fā)展的因素里十分重要的一個；同時，在眾多改善這一制約的措施中，都可以從以下兩點來概括：一方面是保證量子阱結構的均一穩(wěn)定性，例如擁有光滑平整的界面，以保持載流子的局域完成高效的輻射；另一方面，需嚴格控制并減少量子阱內(nèi)的缺陷密度。針對這兩點，在此研究中，我們采用嚴格的溫度控制、優(yōu)化的Ⅴ/Ⅲ比和Si摻雜濃度來制約缺陷的形成，同時，利用納米圖形化的藍寶石襯底（NPSS）來保證AlN模板和多量子阱（MQWs）低的位錯密度（TDD）。
結果分析
本研究中LED器件的基本結構為：1250℃下生長4 um的AlN模板；而后生長10個周期的AlN(15 nm)/Al0.55Ga0.45N(10 nm)超晶格應力調(diào)控層（1180℃）;n-AlGaN（1.5 um，1160℃）；最后生長10個周期的量子阱（Well：2.3 nm-Al0.35Ga0.65N，Barrier：10 nm-Al0.5Ga0.5N）。
首先測試了AlN模板的XRD搖擺曲線和AFM，(0002)和(10-12)的半峰寬分別為110和176 arcsec，計算得到位錯密度TDD為3.23*108 cm-2；AFM可以看到清晰明了的臺階流，表面粗糙度RSM僅為0.08 nm。
為了避免之后生長的應力調(diào)控層和n-AlGaN對量子阱產(chǎn)生的影響，我們在制備的AlN模板上不同溫度下直接生長了量子阱。圖2展示了4個溫度下量子阱樣品的2theta-Omega XRD掃描圖譜，在1060和1100℃下，可以看到清晰的衛(wèi)星峰，這表示了量子阱間形成光滑平整的界面，當溫度升至1116和1153℃后，衛(wèi)星峰退化消失不見，這表明界面在1100℃以上時很難維持。
而后的TEM測試也同樣證實了這一點，在1060和1100℃下可以看到十分銳利的界面，之后的全結構將會在1100℃下生長MQW，雖然說低于1100℃時，界面同樣清晰，但是高溫會促進Al原子的遷移能力，因此在1100℃下生長。
根據(jù)課題組之前的研究，我們發(fā)現(xiàn)：在AlGaN體系中的點缺陷，其形成能十分依賴于生長時Ⅴ/Ⅲ比和Si的摻雜能級；Ⅴ/Ⅲ不同的大小可改變體系中點缺陷的種類和密度，特別是N、Al空位和C雜質(zhì)，可以猜測的是，優(yōu)化Ⅴ/Ⅲ能夠抑制點缺陷的形成，以得到高的IQE，于是制備了Ⅴ/Ⅲ值分別為500、1000和2000的樣品，測試得到PL衰減曲線，根據(jù)其可擬合得到熒光時間和IQE的值，熒光時間代表著有源區(qū)中的非輻射復合過程，長的熒光時間則代表對非輻射復合過程的抑制。
如圖4所示，Ⅴ/Ⅲ值分別為500、1000和2000時非輻射復合時間分別為510.8、727.3和702.9 ps，這個結果表明富N條件可以有效抑制非輻射復合過程的發(fā)生，但是需要注意的是，高的Ⅴ/Ⅲ值將導致金屬原子遷移能力變差，影響晶體質(zhì)量。
而后探究Si摻雜能級對點缺陷形成的影響，制備了4個樣品，其中Barrier的摻雜濃度依次為0、5*1017 cm-3、1*1018 cm-3和2*1018 cm-3。Ⅴ/Ⅲ值和生長溫度分別為11和1100℃。如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)：調(diào)整Si的摻雜能級確實會抑制點缺陷的產(chǎn)生，值得注意的是，Si重摻雜時會引起凹坑的產(chǎn)生，會嚴重降低表面粗糙度。
最終，在上述研究的基礎上，我們工藝制備了LED的全結構，周期性結構如圖6a所示，而后進行電致發(fā)光EL測試，結果如圖6b，顯示出良好的單模發(fā)光，在不同注入電流下波長約276.1 nm（疑惑這個不存在QCSE引起的藍移）。在整個注入電流范圍內(nèi)（0-100 mA），封裝器件最優(yōu)的光輸出功率和EQE約為17.3 mW和4.01%，實現(xiàn)了非常優(yōu)異的器件工作性能。
作者簡介：
許福軍，男，1979年5月生，2007年畢業(yè)于北京大學物理學院，獲理學博士學位，現(xiàn)為北京大學物理學院博士生導師、副教授。研究領域為寬禁帶半導體材料和器件物理，研究定位為滿足國家重大需求的關鍵材料和器件(芯片)研發(fā)。近年來主要開展AlGaN 基深紫外發(fā)光材料和芯片研究，在高質(zhì)量AlN、高效率AlGaN量子阱以及p型AlGaN研究方面達到國際先進水平，在團隊支撐下突破了高性能深紫外發(fā)光二極管芯片研制的關鍵技術，并實現(xiàn)科研成果落地付諸產(chǎn)業(yè)化應用。近年來，作為負責人承擔國家自然科學基金面上項目3項和企業(yè)合作橫向課題2項；作為子課題負責人參與國家重點研發(fā)計劃項目1項、北京市科委重點項目1項，山東省重大科技創(chuàng)新工程項目1項和廣東省重點研發(fā)計劃項目1項。迄今以一作/通訊作者在Light:Science & Applications、 Applied Physics Letters、 Optics Express等一流學術期刊上共發(fā)表一作/通訊作者論文30多篇（包括研究亮點工作8項），獲得/申請國家發(fā)明專利10多件（其中多件實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用）。
（來源：半字笙歌）
