基于纳米多孔牺牲层的垂直结构AlGaN基深紫外LED关键技术研究

AlGaN deep-ultraviolet light-emitting diodes (DUV LEDs) is considered as the mainstream of the further UV light source to replace mercury vapor lamps. Vertical AlGaN DUV LEDs have many advantages on heat dissipation, light extraction efficiency, current spread design flexibility and integration, which have been thought to be a very promising route toward emission efficiency enhancement and application extension. The involved key technique for vertical devices is the lift-off of substrates.. In this project, we propose to develop a novel lift-off method using a nanoporous sacrificial layer for vertical AlGaN DUV LED fabrication. Detailed research contents are as follows: (1) Understanding the electrochemical etching mechanism of the ternary alloy AlGaN, and realize controllable fabrication of nanoporous template; (2) Master the shape and mechanical performance transformation of the nanoporous template during high-temperature annealing; (3) Investigate the growth kinetics of Al-rich AlGaN on unordered nanoporous template and present the stress relaxation and the annihilation mechanism of dislocations; (4) Develop the whole processing flow for vertical DUV LEDs, and achieve efficient and reliable vertical AlGaN DUV LEDs with the photon transportation behavior study.. We expect to posses independent intellectual property rights, promote the rapid development of DUV LEDs, and establish the basis for UV LEDs entering into the UV sources market.

AlGaN基紫外LED是未来替代汞灯等传统紫外光源的理想光源。垂直结构紫外LED因具有散热能力好、光提取效率高、设计灵活和易于集成等诸多优势，是提升器件发光效率和推进应用的重要研究方向，但面临剥离衬底的核心技术难题。. 本项目拟研究基于AlGaN纳米多孔牺牲层的新型衬底剥离和深紫外LED制备技术：(1)探索三元合金AlGaN的电化学腐蚀机制，实现纳米多孔模板的可控制备；(2)掌握纳米多孔牺牲层的高温形态、机械性能演变规律；(3)研究无序纳米结构上高Al组分AlGaN材料的MOCVD生长动力学，揭示AlGaN侧向外延中的应力弛豫和位错湮灭机制；(4)打通垂直结构深紫外LED的工艺流程，结合光子传输行为仿真，最终研制出高功率、可靠的AlGaN基垂直结构深紫外LED。. 本项目有望形成自主知识产权，推动紫外LED快速发展，为其全面进入紫外光源应用市场奠定基础。

AlGaN基深紫外LED具有其绿色环保、波长易调谐、电压低、功耗小等特点，是未来替代汞灯的理想紫外光源。相比于传统倒装结构，垂直结构深紫外LED具有散热能力好、光提取效率高、设计灵活和易于集成等诸多优势，是提升紫外LED发光效率和推广其应用的重要解决方案。本项目围绕高Al组分Al(Ga)N材料高质量外延、纳米多孔牺牲层的电化学腐蚀制备机理与高温形态演变、深紫外偏振光子的传输行为等内容开展了系统研究，完成了预定的关键研究任务和研究目标，取得如下主要成果：.（1）发展了基于溅射结合高温退火技术的高质量AlN模板制备技术，系统研究了溅射和高温退火参数对位错湮灭的影响规律，探索了不同衬底上AlN薄膜的极性调控机理，实现氮极性与铝极性AlN模板的穿透位错密度均低于3×10^8 cm^(-2)，为发展高性能的极性光电子器件提供了新的解决思路。.（2）研究了高Al组分AlGaN材料的大失配外延技术，探索SiH4预通处理对应力和位错湮灭演变过程的影响，将刃位错密度降低至10^9 cm^(-2)以下，弛豫度达到60%以上。.（3）研究了三元合金AlGaN材料的电化学腐蚀机理，研究了电解质溶液种类和浓度、施加电压方案等关键参数对AlGaN的多孔形貌作用规律，获得了片内形貌均匀性良好的复合多孔AlGaN模板。.（4）基于复合纳米多孔AlGaN模板，开展了高Al组分AlGaN量子结构材料侧向外延，探索了MOCVD外延生长条件对AlGaN材料的合并和晶体质量的影响，研究了不同孔隙率薄膜的高温形态演变规律，展现出纳米多孔牺牲层用于衬底剥离、发展高效深紫外LED薄膜器件的可能性和巨大潜力。.（5）研究薄膜型深紫外LED的光子传输行为，相较于平滑薄膜型深紫外LED，背面粗化薄膜型深紫外LED的TE模式光子提取效率提升了50%，TM模式光子提取效率提升超过20倍，并使TE和TM模式逃逸光场的分布更加匀化。