具有溅射 AlN 缓冲层的铟镓氮（GaInN）基绿光发光二极管的器件性能研究
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1. 概述
在这项研究中，研究人员比较了在带有传统低温氮化镓（GaN）缓冲层的c面蓝宝石衬底上生长的基于 GaInN 的绿光发光二极管与带有溅射 AlN 缓冲层的LED器件性能。仅用溅射AlN层替换缓冲层即可显着改善InGaN基LED的光输出功率和漏电流特性。为了了解性能改进的根源，通过电反射光谱、I-V 曲线、电致发光光谱、L-I 曲线和内量子效率对电学和光学性能进行了比较。通过对结果的分析，发现这种改进主要是由于多量子阱有源区中应变的减轻和压电场的减小。
2. 样品制备
LED结构示意图如图1a、b所示。两个LED外延结构均生长在带有溅射 AlN 缓冲层或传统低温 GaN 缓冲层的c面蓝宝石平衬底上。为了沉积溅射 AlN 缓冲层（图 1a），将烧结 AlN 靶放置在距基板约 85 mm 的位置。将腔室抽真空至<5.5×10-5 Pa后，引入Ar-N2气体混合物作为溅射气体。通过控制 450 W 射频功率的时间，在 600 °C 的温度下在蓝宝石平衬底上沉积了20nm厚的溅射AlN层。相比之下，为了沉积低温GaN缓冲层（图 1b），在 470 °C 的 MOCVD 中在蓝宝石平衬底上生长了 30 nm 厚的 GaN 缓冲层。除缓冲层外，两个绿光LED的外延结构相同，由在1050℃下生长的4μm厚的u -GaN外延层、Si掺杂的n -Al0.02Ga0.98N层组成， 10对Ga 0.93 In 0.07 N/GaN (3 nm/3 nm) 超晶格（SL），以及由5对3 nm厚的Ga0.77In0.23N量子阱组成的多量子阱（MQW），中间夹有10 nm厚的GaN势垒。在多量子阱顶部生长了Mg掺杂p -GaN 层。通过两个样品的 X 射线衍射估算了 MQW 中的铟成分。
图 1. ( a ) 具有溅射 AlN 缓冲层的 GaInN 基绿光发光二极管(LED A) ( b ) 具有传统 LT-GaN 缓冲层的 GaInN 基绿光发光二极管(LED B) 的示意图。图 1a插图是两个LED芯片的顶视图，图 1b的插图是两个LED芯片的电致发光 (EL) 发射的顶视图。
芯片尺寸为400×400μm，采用传统的横向电极结构，如图1插图所示。该芯片安装在 STEM 型金属封装上，无需环氧树脂成型，用于测量电气和光学特性。此后，我们将图 1a中溅射 AlN 缓冲层上生长的绿光LED视为LED A，将图 1b中传统低温 GaN 缓冲层上生长的绿光LED视为LED B。
分别使用安捷伦半导体参数分析仪和安捷伦阻抗分析仪测量 I-V 和C-V特性。 C-V 特性是在反向偏压范围内、在 1 MHz 的固定调制频率、10 mV 的幅度下测量的。为了避免自加热，在脉冲电流驱动条件（脉冲周期 = 100 µs，占空比 = 1%）下分别通过硅光电二极管和光谱仪测量包括光输出功率和光谱在内的光学特性。
图2（a） ER光谱的峰值强度和针对LED a和LED b施加的反向偏压绘制的拟合曲线；（b）测量的压电场值（点）和理论计算值（实线）
图3（a）LED a、（b）LED b电致发光（EL）光谱与驱动电流的关系
图4 LED a和LED b的I–V曲线（a）线性标度；（b）半对数标度
图5 线性尺度上LED a和LED b的（a）光输出功率电流特性（L–I曲线）；（b）内量子效率电流特性（IQE-I曲线）的结果。
3. 结论
本研究展示了具有溅射AlN缓冲层（LED a）和传统低温GaN缓冲层（LED b）的GaInN基绿光LED器件的电学和光学性能：
1） 通过反向偏置电反射率（ER）光谱和EL光谱中较小的蓝移实验证实，与LED b相比，LED a中的压电场减小更多（约9%）；
2） I–V曲线显示了低正向偏置区的不同传导过程，即隧道泄漏主导了LED b中的电流，这是由于产生了使应变能松弛的螺旋位错（TD）和V形缺陷。这些缺陷对InGaN LED器件的可靠性和寿命是致命的；
3） LED a和LED b分别获得峰值IQE的~56%和~51%，50mA时IQE的~52%和~38%，效率分别下降了~4%和~13%。
研究人员认为，IQE和光输出功率的提高是由于载流子溢出的减少，而载流子溢出受到MQW中的应变和压电场的限制。该研究表明，溅射AlN缓冲层代替传统的低温GaN缓冲层可以改善有源区的晶体质量和应变，这最终有助于GaN LED器件实现高性能和高可靠性。此外，可以通过优化溅射AlN缓冲层的厚度和溅射功率来等实现绿光LED的进一步改进。
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参考文献：
Ishimoto S , Han D P , Yamamoto K ,et al.Enhanced Device Performance of GaInN-Based Green Light-Emitting Diode with Sputtered AlN Buffer Layer[J].Applied Sciences, 2019, 9(4):788.DOI:10.3390/app9040788.