研究人员简化纳米线紫外LED制造途径

研究人员解释如何透过生长无错位AlGaN纳米线取得等效于近乎无缺陷的平面结构，这些纳米线彼此间极其接近地成核，使其最终在上部末端聚结。...





尽管当今基于氮化铝镓（AlGaN）的紫外光有机发光二极体（LED）依赖于平面结构，但仍面对许多悬而未决的材料相关挑战，包括在高Al含量的AlGaN中缺乏有效的p型掺杂、在外延基板上生长平面UV LED的高穿透位错和缺陷密度，以及光获取效率低（通常小于10%）。

在最近发表于《Nanoscale》期刊的“利用悬垂外延实现自平面化量子磁碟纳米线超紫外光-B发射器”（Self-planarized quantum-disks nanowires ultraviolet-B emitter utilizing pendeo-epitaxy）一文中，阿布杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology；KAUST）的研究人员解释如何透过生长无错位AlGaN纳米线取得等效于近乎无缺陷的平面结构，这些纳米线彼此间极其接近地成核，使其最终在上部末端聚结。

研究人员在清清洁的硅晶圆上精确控制初始氮化镓（GaN）成核过程，并使用无催化剂的电浆辅助分子束外延（PAMBE）形成特定生长条件后，他们宣称能够克服围绕纳米线生长的许多问题，以一致的高度获得高密度、自发性聚结、无错位的AlGaN纳米线，显示得以呈现自平面化的顶层表面。这种反锥形的纳米线底部直径约30nm，可随其生长在400nm长的顶部扩展直径至70nm。

生长纳米线可用于整合15对几乎占据整个纳米线体积一半的AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子磁碟（Q-disk），以及1个p型AlGaN电子阻障薄层。P型渐变AlGaN层（约25nm厚）与p-GaN层（约20nm）共同生长作为顶部接触层。

由于具有较高密度（约1x1010cm^-2）、可在大面积上聚结以及均匀的高度分布，让纳米线得以达到超过95%的填充因子，而Ni/Au层可以直接沉积在聚结的p-GaN层顶部，而不至于发生极化作用。



(a)该元件结构的俯视图像，以及插图中纳米线的倾角图；(b)聚结AlGaN纳米线的STEM-HAADF图像

研究人员描述了这种大面积AlGaN量子磁碟在纳米线LED的发射性，以窄线宽发射频谱在室温下测得303nm电致发光（约48A/cm^2偏置或在0.5×0.5mm^2的面积时约120mA），以及20nm的半峰值全宽（FWHM）为约20nm。导通电压为9V。



具有其各独立层的纳米线示意图

总之，研究人员得出了结论，并打造出有效制造紫外LED的最简单方法，而无需使用预先图案化的基板或特殊光罩，而且也不需要紫外吸收聚合物材料进行平面化（因为没有平面化步骤）。此外，纳米线具有较大增益介质(主动区/纳米线长度比率超过50%)，具有15个堆叠的Qdisk有效地组合了大多数注入的载子，并在顶部自平面化聚结，从而增强载子重新组合。

在低成本和可扩展的硅基板上生长Q-disk的另一个好处是其使用渐变AlGaN层改进载子注入。研究人员希望这种方法还可以用于开发其他类型的纳米线元件。

延伸阅读：

《紫外LED技术、制造及应用趋势-2016版》

《LED应用领域的荧光粉和量子点专利分析》

《电力电子和LED应用的热管理技术及市场前景-2016版》

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