铝镁酸钪上的红光InGaN LED

摘要：沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）和日本爱知工业大学的研究人员表示，首次在铝镁酸钪（ScAlMgO4，SAM）衬底上演示了全氮化铟镓（InGaN）红光发光二极管（LED） [Mohammed A. Najmi et al Appl. Phys. Ex

来源：雅时化合物半导体

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）和日本爱知工业大学的研究人员表示，首次在铝镁酸钪（ScAlMgO4，SAM）衬底上演示了全氮化铟镓（InGaN）红光发光二极管（LED） [Mohammed A. Najmi et al Appl. Phys. Express, v17, p111001, 2024]。

研究人员评论道：“目前，在GaN/蓝宝石和GaN/Si上生长的红光LED的材料质量远远不及最先进的红光LED，因此器件性能也有很大差距。然而，由于晶格匹配，InGaN/SAM配置有望改善材料质量。改善材料质量以及InGaN和SAM衬底之间的界面，可以显著提高红光LED的效率。”

与SAM晶格匹配的成分是In0.17Ga0.83N。目前正在开发的红光InGaN LED特别适合与绿光及蓝光InGaN器件相结合，以应用于全彩显示。与其他III-V族化合物半导体（如InGaAsP）制成的混合器件相比，其优势在于加工更简单。

该团队解释道：“显示系统要求必须将三原色发光体集成到一个像素中。由于III族氮化物（GaN、InN）的带隙多样，RGB发光体都可以通过合金化III族氮化物来实现。这一有利特性使III族氮化物特别适合显示应用。尽管理论上有可能实现色彩可调，但实现基于InGaN的高效长波LED/LD仍是III族氮化物界尚未解决的研究难题。”

该LED的外延结构是通过金属有机气相外延（MOVPE）在c面SAM衬底上生长的（图1）。缓冲层是在低温（LT）条件下生长的，旨在形成Ga极结构。研究团队报告称，Ga极结构降低了残余电子浓度，“使我们能够实现有效的p型InGaN层”。

图1：LED结构示意图。

对样品进行霍尔测量后发现，样品为p型导电，有效空穴浓度为8x1017/cm3，迁移率为0.7cm2/V-s。其电阻率为11Ω-cm。

研究人员评论道：“掺硅In0.09Ga0.91N层的（0002）和（10-12）的X射线摇摆曲线值分别为1354arcsec和2452arcsec。”虽然分子束外延可使InGaN/SAM的X射线峰更窄，但MOVPE通常会使材料的（0002）峰的半最大全宽（FWHM）达到2500至3000arcsec。该团队之前已经实现了N极InGaN/SAM材料，其（0002）峰和（10-12）峰的半最大全宽分别为940arcsec和1960arcsec。遗憾的是，该材料的电子浓度高达~1019且表面粗糙。

研究人员发现V形凹坑的密度较高，表明穿透位错的密度较高。研究团队评论道：“高位错密度可归因于低温缓冲层的存在。底层由掺硅n-InGaN层和InGaN低温缓冲层组成。由于低温生长造成的非晶相，低温缓冲层的材料质量预计不如直接生长在SAM上的InGaN。”

此外，研究人员还指出，器件层相对较低的生长温度（825°C）不足以使生长在低温缓冲层顶部的材料再结晶。高质量的GaN通常在1000°C左右的温度下生长。

电致发光（EL）光谱呈现出宽阔的单峰（图2）。在20mA电流下，峰值在629nm处，正好在可见光谱的红光范围内（625-750nm）。在较低的5mA注入电流下，峰值在647nm处，更加深入红光范围，但在较高的电流下，峰值从红光区域（40mA时为617nm）偏移到较短的橙光波长（590-625nm），向可见光谱的蓝光端偏移。