含有反相畴的3D紫外LED界面调控及发光性能研究

Nanostructure-array used in light extraction enhancement of UV-LEDs has drawn wide attentions due to its large aspect ratio. Traditional nanostructure array UV-LEDs fabricated by plasma etching suffers from high density surface trap centers as a result of plasma damage, leading to non-radiative recombination of carriers. In order to overcome this problem, UV-LEDs with inversion domain boundaries (IDB) will be fabricated based on polarity control of III-nitride materials, followed by wet chemical etching to achieve 3D nanostructures with low surface defects. We will first explore the formation mechanism and distribution condition of IDBs within sub-micrometer scale; Secondly, we will investigate the influence of IDB on the carrier transport and recombination inside UV-LEDs; Furthermore, we will explore the influence of 3D structure defect states on LED radiative recombination efficiency and comparing our 3D UV-LEDs with traditional plasma etched nanostructure UV-LEDs. The successful implantation of this project is important in providing new ideas and strong experimental support to the development of next generation high efficiency UV-LEDs.

具有大比表面积的纳米阵列结构有助于提升紫外LED的光子提取效率，近年来受到广泛关注。传统等离子体刻蚀方法得到的纳米阵列紫外LED容易因为等离子轰击而产生较高的缺陷态密度，引起载流子非辐射复合加剧而降低出光效率。针对这一不足，本项目拟在图形化AlN缓冲层上外延生长含有反相畴的氮化物薄膜，同时可控湿法刻蚀制备出具有低界面态密度的3D纳米阵列结构的紫外LED。本项目将分析亚微米尺度下反相畴的形成机制和分布规律，探索反相畴对器件内部载流子传输与复合的作用原理，对比湿法刻蚀和等离子体刻蚀制备的3D纳米阵列的发光性能，深入理解缺陷态密度对于紫外LED辐射复合效率的影响机制。本项目的成功实施有望为下一代紫外LED的效率提升提供一种新的思路和实验支撑。

本项目针对传统纳米阵列紫外LED因等离子体刻蚀影响导致界面态密度增大，器件发光效率较低的领域瓶颈问题，基于氮化物的极性调控技术，提出了一种低界面态密度的3D纳米阵列结构的紫外LED，深入阐明了具有反相畴的紫外LED在发光特性、材料界面质量影响因素，并探索反相畴对器件内部载流子传输与复合的作用原理，深入理解了缺陷态密度对于紫外LED辐射复合效率的影响机制。项目取得了以下成果：1）采用湿法刻蚀工艺对AlN低温结晶层进行图形化制备，并基于MOCVD外延生长，制备了同时含有金属极性和氮极性的横向极性结构发光层，证明了氮极性畴内部由于量子势阱和势垒厚度的不均匀性，导致载流子辐射复合效率和发光强度；2）进一步探讨了含有3D反相畴的量子阱的载流子动力学特性。通过时间分辨发光光谱，证明了含有3D反相畴量子阱内部存在载流子局域化现象，并实现了含有反相畴的紫外LED内量子效率58%，超过传统LED结构；3）基于湿法刻蚀暴露出纳米级别的反相畴，得到了倾斜角数据，并证明了其与穿透位错之间的关系；4）制备了金属极性和氮极性纳米柱结构紫外LED，并采用不同表面钝化处理方式，显著降低了LED的表面态密度，提升了器件稳定性，并阐明了金属极性和氮极性纳米柱在表面处理方式下不同反应的原理。通过本项目的实施，加深了对于紫外LED发光机理的理解，特别是纳米结构紫外LED面临的主要科学挑战。在领域内首次提出了含有反相畴的3D紫外LED这一概念，并实验证明了不同极性畴对于发光的贡献情况，最终有望于为未来高效率紫外LED的开发提供新的路径。