香港科技大学研发出首个硅衬底绿黄氮半导体LED

香港科技大学(HKUST)近日研发出一种高性能的硅衬底绿黄氮半导体LED，此项新研究成果发布在IEEEElectronicDeviceLetters上(5月29日)。研究人员称其565nm黄色LED是第一款硅衬底多量子阱(MQW)设备。

从理论上讲，使用硅作为衬底可降低材料成本和实现大晶圆直径产品批量生产的规模经济效益，但是与传统、更昂贵的独立GaN、蓝宝石或碳化硅(SiC)衬底相比，硅衬底氮半导体会导致更大的晶格失配。研究人员表示，生产更大波长的氮半导体LED极具挑战性，因为难以生产出质量佳、铟浓度更高的氮化铟镓(InGaN)产品。虽然半导体晶体管领域中的硅衬底工艺已十分成熟，但类似的生长方式最近才被应用于LED设备材料。

在2英寸硅片上，研究人员使用金属有机气相沉积(MOCVD)技术来生成最初的模板，该模板由氮化铝(AlN)成核、8对氮化铝/氮化镓(AlN/GaN)层组成，以创造出一个超晶格(SL)(用作应力平衡夹层)和一个2μmGaN缓冲层。研究人员首先对SiO2层和铟锡氧化物(ITO)层进行沉淀，再利用氯化氢(HCL)酸溶液对ITO进行蚀刻，最后使用等离子蚀刻法来形成二氧化硅(SiO2)纳米棒。纳米棒的密度为2x109/cm2，表面覆盖度为35%;其作为GaN再生长的遮罩，可降低位错密度并提高晶体质量。

随后，通过MOCVD技术生成LED结构，在纳米棒、AlN/GaNSL夹层、2μmN型GaN、5周期多量子阱(MQW)以及200nm的p-GaN周围再生成800nmGaN。再生成的GaN位错密度为8x108/cm2，被称为“最低的硅衬底GaN位错密度之一”。

研究人员随后准备适用于发射黄色(565nm)和绿色(505和530nm)光的材料，以制作300μmx300μmLED芯片。如预期一样，随着波长增加，光输出功率(LOP)逐渐下降。在20mA条件下，505nm波长的输出功率为1.18mW，530nm和565nm波长的输出功率分别为0.30mW和74μW。对于505nm、530nm和565nm设备，光输出功率分别在7.60mW(200mA)、2.72mW(180mA)和0.52mW(160mA)条件下达到饱和状态。

据称，这是人们首次在硅衬底上成功制造出565nm黄色InGaN/GaNMQWLED，且505nmLED的LOP远远高于以往的硅LED设备。除了提高材料质量外，该机构研究人员相信纳米棒也可以增强光提取散射效应。