南京大学庄喆：基于外延层残余应变调控的InGaN基红光LED器件

III族氮化物半导体可用于固态照明、电源和射频设备的节能。Micro-LED显示器满足各种场景，性能优于OLED和LCD。与AlInGaP材料相比，InGaN更有利于红色Micro-LED。基于C平面InGaN的红色LED在几种技术中仍然占主导地位。InGaN量子阱晶体质量差导致效率降低。

近日，第九届国际第三代半导体论坛（IFWS）&第二十届中国国际半导体照明论坛（SSLCHINA）于厦门召开。期间，“Mini/Micro-LED及其他新型显示技术”分会上，南京大学助理教授庄喆做了“基于外延层残余应变调控的InGaN基红光LED器件”的主题报告，分享了最 新研究成果。涉及InGaN红色LED外延生长面临的挑战，InGaN基红色LED的外延生长策略、InGaN红色量子阱生长压力的优化，应变调制，使GaN模板更厚、在β-Ga2O3衬底上选择GaN、InGaN原位分解层（DL），PSS上厚GaN模板上的InGaN红色LED，具有InGaN原位DL的InGaN红色LED，屏障中不同Al含量的性能比较，不同芯片尺寸的InGaN红色微型LED，PSS上高效的红色InGaN微发光二极管，InGaN红色LED的温度稳定性等。

InGaN基发光二极管（LED）是蓝绿光波段的高效光源，并在过去几十年成功商业化。将其光谱范围扩展到红色区域会导致InGaN基LED效率显著降低。这种降低主要归因于高In含量的InGaN量子阱（QWs）的晶体质量差，这是由于晶格失配和低生长温度所致。

其研究通过优化外延结构和生长条件来展示了红色LEDs 及微型LEDs的改进性能。InGaN基红色LEDs是通过金属有机气相外延法在传统的c面图案化蓝宝石衬底上生长的。研究使用了升高生长压强从200到550Torr的方法将InGaN量子阱的发射波长扩展至黄红光区域。这种方法获得的4英寸外延片发光波长具有很好的均匀性，标准偏差为3.3 nm。提出了一种原位InGaN分解层（DL）和多个GaN保护层的模板结构，使用这种结构可以使GaN模板的残余应变得到缓解，从而使峰值波长平均红移了15 nm。尽管插入分解层会使表面形貌略有恶化，但4英寸外延片上的发光波长仍然保持均匀，标准偏差为3.4 nm，同时，外量子效率（EQE）和插座效率（WPE）分别约为8.2％和7.2％。

研究还优化了势垒中的Al组分以进行应变补偿。这是一种在实现具有高插座效率的InGaN红色微型LEDs方面的权衡方法。较高的Al组分可以有助于提高铟并入，但会阻碍载流子注入而导致工作电压升高。结果发现，微量的5％Al掺杂是实现1A/cm2下低电压2.15V的最 佳方法，同时，直径为10μm的微型LEDs的插座效率在1A/cm2下约为4％。此外，研究还使用光致发光和寿命分布情况来检查微型LEDs中的侧壁效应。这些红色InGaN微型LEDs的结果表明了InGaN材料在未来全彩显示应用中的巨大潜力。

庄喆博士是南京大学苏州校区集成电路学院助理教授。在2011年和2016年，他在南京大学先后获得了物理学学士学位和电子科学与技术博士学位。他于2015年以访问学者身份在谢菲尔德大学工作，于2019-2021年在阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究工作。他的主要研究兴趣是宽禁带半导体材料及其光电子器件，特别是MOVPE生长、微纳加工、Micro-LED器件制备与集成。他已经在相关领域发表50多篇SCI论文和申请/授权6项美国/PCT/中国专利，一些发表研究成果被选为高亮论文或编辑摘选论文。关于Micro-LED材料与器件的相关研究成果被《Semiconductor Today》和《Compound Semiconductor》等国际科技媒体报道超30次。