儘管當今基於氮化鋁鎵(AlGaN)的紫外光有機發光二極體(LED)依賴於平面結構,但仍面對許多懸而未決的材料相關挑戰,包括在高Al含量的AlGaN中缺乏有效的p型摻雜、在外延基板上生長平面UV LED的高穿透位錯和缺陷密度,以及光擷取效率低(通常小於10%)。

在最近發表於《Nanoscale》期刊的「利用懸垂外延實現自平面化量子磁碟奈米線超紫外光-B發射器」(Self-planarized quantum-disks nanowires ultraviolet-B emitter utilizing pendeo-epitaxy)一文中,阿布杜拉國王科技大學(King Abdullah University of Science and Technology;KAUST)的研究人員解釋如何透過生長無錯位AlGaN奈米線取得等效於近乎無缺陷的平面結構,這些奈米線彼此間極其接近地成核,使其最終在上部末端聚結。

研究人員在清清潔的矽晶圓上精確控制初始氮化鎵(GaN)成核過程,並使用無催化劑的電漿輔助分子束外延(PAMBE)形成特定生長條件後,他們宣稱能夠克服圍繞奈米線生長的許多問題,以一致的高度獲得高密度、自發性聚結、無錯位的AlGaN奈米線,顯示得以呈現自平面化的頂層表面。這種反錐形的奈米線底部直徑約30nm,可隨其生長在400nm長的頂部擴展直徑至70nm。

生長奈米線可用於整合15對幾乎佔據整個奈米線體積一半的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子磁碟(Q-disk),以及1個p型AlGaN電子阻障薄層。P型漸變AlGaN層(約25nm厚)與p-GaN層(約20nm)共同生長作為頂部接觸層。

由於具有較高密度(約1x1010cm^-2)、可在大面積上聚結以及均勻的高度分佈,讓奈米線得以達到超過95%的填充因子,而Ni/Au層可以直接沉積在聚結的p-GaN層頂部,而不至於發生極化作用。

20170317 uvled NT01P2 (a)該元件結構的俯視圖像,以及插圖中奈米線的傾角圖;(b)聚結AlGaN奈米線的STEM-HAADF影像

研究人員描述了這種大面積AlGaN量子磁碟在奈米線LED的發射性,以窄線寬發射頻譜在室溫下測得303nm電致發光(約48A/cm^2偏置或在0.5×0.5mm^2的面積時約120mA),以及20nm的半峰值全寬(FWHM)為約20nm。導通電壓為9V。

20170317 uvled NT01P1 具有其各獨立層的奈米線示意圖

總之,研究人員得出了結論,並打造出有效製造UV LED的最簡單方法,而無需使用預先圖案化的基板或特殊光罩,而且也不需要UV吸收聚合物材料進行平面化(因為沒有平面化步驟)。此外,奈米線具有較大增益介質(主動區/奈米線長度比率超過50%),具有15個堆疊的Qdisk有效地組合了大多數注入的載子,並在頂部自平面化聚結,從而增強載子重新組合。

在低成本和可擴展的矽基板上生長Q-disk的另一個好處是其使用漸變AlGaN層改進載子注入。研究人員希望這種方法還可以用於開發其他類型的奈米線元件。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Reaching the perfect epitaxy recipe for UV LEDs,by Julien Happich)