Những tiến bộ trong tăng trưởng epiticular AlGaN trên mẫu AlN và ứng dụng của chúng trong đèn LED UV +

PAM-XIAMEN cung cấp các mẫu AlN cho sự phát triển của các lớp epiticular AlGaN. Thông số chi tiết vui lòng liên hệ:[email protected]

Trong những năm gần đây, điốt phát sáng tia cực tím (UV-LED) dựa trên AlGaN đã cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như trị liệu y tế, khử trùng, cảm biến và truyền thông. Tuy nhiên, đèn LED UV bước sóng ngắn, đặc biệt là các đèn trong dải phổ tia cực tím B (UVB, 320–280nm) và tia cực tím C (UVC, 280–200nm), vẫn phải đối mặt với những thách thức đáng kể bao gồm hiệu suất phát sáng thấp, điện áp hoạt động cao và tuổi thọ thiết bị hạn chế. Về cơ bản, những hạn chế về hiệu suất này xuất phát từ chất lượng của vật liệu epiticular, đặc biệt là chất lượng của mẫu AlN nền tảng và việc quản lý sự không khớp và biến dạng mạng giữa mẫu và các lớp epiticular AlGaN được phát triển sau đó.

1. Chuẩn bị và tối ưu hóa các mẫu AlN: Giao diện tạo mẫu và ủ ở nhiệt độ cao

Các mẫu AlN chất lượng cao là nền tảng cho quá trình epit Wax AlGaN hiệu quả. Trong các phương pháp thông thường, AlN phát triển trên nền sapphire có xu hướng tạo ra mật độ trật khớp ren mật độ cao (TDD), thường ở mức 10¹¹–10¹²cm⁻², do mạng tinh thể không khớp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất thiết bị tiếp theo. Để giảm TDD, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm chế độ tăng trưởng “từ thô đến mịn”, ủ ở nhiệt độ cao (HTA) và các giao diện theo khuôn mẫu.

Kỹ thuật HTA, lần đầu tiên được đề xuất bởi Miyake et al. vào năm 2016, bao gồm việc ủ các lớp AlN ở khoảng 1700°C, có thể giảm TDD nhiều hơn một bậc độ lớn, ngay cả đối với các lớp mỏng hơn 1 μm. Kỹ thuật này không chỉ áp dụng cho AlN được phát triển bởi MOVPE mà còn cho AlN được lắng đọng bằng phương pháp phún xạ, phá vỡ quá trình tạo mầm nhạy cảm vốn có của MOVPE. Các nghiên cứu cho thấy các mẫu AlN (FFA Sp-AlN) được ủ trực tiếp có thể đạt được mật độ trật khớp kiểu vít và kiểu hỗn hợp thấp tới 1,8×10⁶ cm⁻², thấp hơn hai bậc so với các mẫu MOVPE-AlN thông thường. Tuy nhiên, HTA cũng có thể dẫn đến sự hình thành các đảo AlON trên bề mặt, có khả năng ảnh hưởng đến chất lượng của các giao diện epiticular tiếp theo.

Hình 1 Mật độ trật khớp ren so với độ dày lớp AlN đạt được bằng các kỹ thuật giảm TDD khác nhau

Hình 2 Các đảo AlON tại giao diện của AlN được trồng MOVPE trên mẫu AlN được ủ ở nhiệt độ cao và lắng đọng phún xạ

Patterned interface technologies, such as epitaxial lateral overgrowth (ELO) and nanopatterned sapphire substrates (NPSS), reduce TDD by promoting dislocation bending or annihilation through lateral growth. For instance, on stripe-patterned AlN/sapphire with a 3.5μm pitch, TDD in the laterally overgrown regions can be as low as 3×10⁸cm⁻². Furthermore, patterned interfaces enhance light extraction efficiency by suppressing total internal reflection. For UVC LEDs, this can lead to an approximately 13% improvement in light extraction efficiency.

Fig. 3 Cross-sectional STEM images of ELO AlN on trench-patterned AlN/sapphire with different sapphire offcut angles, showing dislocation distribution and surface steps

2. Challenges in Growing AlGaN on AlN Templates: Strain Management and Dislocation Control

Strain relaxation induced by lattice mismatch is a critical challenge when growing AlGaN epitaxial layers on AlN templates. For UVB LEDs with lower Al composition (e.g., Al₀.₆Ga₀.₄N), strain relaxation often leads to surface roughening and the formation of misfit dislocations, thereby increasing non-radiative recombination centers.

Nghiên cứu chỉ ra rằng TDD và hằng số mạng của mẫu AlN ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái hồi phục sức căng của AlGaN. Khi TDD của mẫu AlN quá thấp (ví dụ: <5×10⁸cm⁻²), lớp AlGaN thiếu các sai lệch luồng có sẵn từ trước để giảm bớt sức căng, dễ dàng gây ra các sai lệch mới trong quá trình phát triển và thay vào đó khiến TDD tăng lên. Do đó, tồn tại một “mật độ lệch vị trí cạnh tối ưu” (ρₑ,opt), giúp giảm căng thẳng một cách hiệu quả trong khi vẫn duy trì mật độ lệch vị trí thấp. Ví dụ: đối với lớp Al₀.₆₃Ga₀.₃₇N dày 1,6 μm, ρₑ,opt xấp xỉ trong khoảng 7,0–8,0×10⁸cm⁻².

Ngoài ra, góc cắt cơ chất ảnh hưởng đáng kể đến hình thái tăng trưởng của AlGaN. Các góc lệch nhỏ (ví dụ: 0,2°) có thể dẫn đến sự hình thành các gò đồi xoắn ốc do trật khớp, trong khi các góc cắt lớn hơn (ví dụ: 1,0°) có thể triệt tiêu hiệu quả các cấu trúc gò đồi này và cải thiện độ phẳng bề mặt. Tuy nhiên, góc cắt quá lớn cũng có thể gây ra hiện tượng phân cụm theo từng bước, dẫn đến tính không đồng nhất của thành phần và hiệu suất phát quang bị suy giảm.

Hình 4 Hình ảnh kính hiển vi Nomarski so sánh hình thái bề mặt của các lớp AlGaN (Cấu trúc Loại-II) phát triển trên (ac) mẫu FFA Sp-AlN và (d) mẫu MOVPE-AlN với các góc cắt cơ chất khác nhau: (a) 0,2°, (b) 0,6°, (c) 1,0°

3. Kỹ thuật mạng thông qua pha tạp Si trong AlN và nâng cao chất lượng AlGaN

Để tiếp tục thiết kế hằng số mạng của các mẫu AlN nhằm tương thích tốt hơn với epit Wax AlGaN, các nhà nghiên cứu đã đề xuất kỹ thuật mạng thông qua pha tạp Si của AlN (AlN:Si). Doping Si cao thúc đẩy sự hình thành chỗ trống. Các vị trí tuyển dụng này tương tác với sự lệch vị trí cạnh, gây ra độ nghiêng lệch vị trí và do đó làm tăng dần hằng số mạng trong mặt phẳng dọc theo hướng tăng trưởng.

Theo nghiên cứu của Walde và cộng sự, trạng thái biến dạng trong mặt phẳng (ε_x,AlN:Si) của lớp AlN:Si có liên quan đến độ dày (h) và mật độ lệch vị trí cạnh ban đầu của bộ đệm (ρₑ, bộ đệm) theo mối quan hệ sau:

trong đó A là hằng số tỷ lệ (khoảng 8,1×10⁻²nm). Bằng cách điều chỉnh h, hằng số mạng trong mặt phẳng của mẫu AlN có thể được chuyển dần từ biến dạng nén sang biến dạng kéo, đạt được độ giãn nở mạng tối đa khoảng 0,3%, tương đương với chênh lệch mạng giữa Al₀.₈₈Ga₀.₁₂N và AlN. Kỹ thuật mạng tinh thể này cho phép phát triển các lớp trải dòng n-AlGaN dày với hàm lượng Al tương đối thấp.

Hình 5 Biến đổi biến dạng trong mặt phẳng (f_AIN) của lớp AlN:Si so với (a) TDD cạnh ban đầu của bộ đệm và (b) độ dày AlN:Si

Các quan sát bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) xác nhận độ nghiêng của sự lệch vị trí cạnh trong AlN:Si, với góc nghiêng trung bình khoảng 26,4°, phù hợp với dự đoán lý thuyết. Chiến lược kỹ thuật mạng tinh thể này đã được áp dụng thành công để chế tạo đèn LED UVC, tạo ra lớp n-AlGaN dày 1,6μm với hàm lượng 63% Al trong khi duy trì TDD khoảng 7,0×10⁸cm⁻², từ đó giảm điện trở của loạt thiết bị và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Hình 6 Ảnh TEM trường tối vùng chính xác xác minh độ nghiêng lệch vị trí cạnh theo hướng AlN:Si dọc theo (a) trục a [11-20] và (b) trục m [1-100]

4. Mối tương quan giữa kỹ thuật cấu trúc giao diện và hiệu suất thiết bị: Các bước vĩ mô và các vi mô hiện tại

Hình thái vi mô của bề mặt mẫu AlN ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc và tính chất quang điện tử của các lớp epiticular AlGaN tiếp theo. Các nghiên cứu cho thấy rằng các mẫu AlN với các bước macro có thể tạo ra sự điều biến thành phần và độ dày gợn sóng trong lớp phủ AlGaN phía trên, hình thành nên cái gọi là “các vi đường hiện tại” và “cấu trúc định vị sóng mang”.

Quét trường tối hình khuyên góc cao TEM (HAADF-STEM) và quang phổ tia X phân tán năng lượng vi mô cho thấy các vùng giàu Ga kéo dài dọc theo các hướng cụ thể (ví dụ: θ ≈ 68°) trong lớp bọc AlGaN tương ứng với các bước macro trên mẫu AlN. Các vùng giàu Ga này thể hiện độ dẫn cao hơn và có thể hoạt động như các đường dẫn vi mô hiện tại, hướng dòng điện được bơm vào các khu vực trong giếng lượng tử (QW) với khả năng định vị sóng mang mạnh hơn (tức là các vùng QW nghiêng). Các QW nghiêng, được đặc trưng bởi chiều rộng giếng lớn hơn và thành phần Al thấp hơn, tạo thành cực tiểu tiềm năng cục bộ có lợi cho việc bắt sóng mang và tái hợp bức xạ.

Hình 7 Ảnh TEM (chế độ HAADF) hiển thị sự phân bố điều chế và sai lệch thành phần trong AlGaN được tạo ra bởi các bước macro trên mẫu AlN bên dưới

Quang phổ phát quang âm cực (SRCL) được phân giải theo không gian xác nhận thêm rằng các vùng tương ứng với các độ dốc thoải (tức là các cạnh macrostep) trên bề mặt biểu hiện sự phát quang mạnh hơn và chuyển sang màu đỏ, cho thấy sự định vị sóng mang hiệu quả ở những khu vực này. Tác dụng tổng hợp của cấu trúc định vị sóng mang do macrostep tạo ra này và các đường dẫn vi mô hiện tại được coi là cơ chế chính để đạt được đèn LED UV sâu dựa trên AlGaN hiệu suất cao.

Hình 8 (a) Ánh xạ cường độ CL tích hợp quang phổ và (b) bản đồ phân bố năng lượng cực đại thấp hơn/cao hơn của AlGaN QW, cho thấy các đặc điểm định vị sóng mang

Chất lượng của mẫu AlN và kỹ thuật giao diện giữa nó và lớp epiticular AlGaN là trọng tâm để nâng cao hiệu suất UV-LED. Thông qua các phương pháp khác nhau như ủ nhiệt độ cao, chất nền có hoa văn, kỹ thuật mạng dựa trên pha tạp Si và sử dụng các bước vĩ mô để tạo ra sự định vị hạt tải điện, có thể giảm hiệu quả mật độ trật khớp luồng, quản lý phân bố biến dạng và tối ưu hóa hiệu suất phun dòng điện và trích xuất ánh sáng.

Cho dù bạn cần mẫu AlN cho nghiên cứu hay cho các ứng dụng công nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email tại[email protected] và [email protected].

 

Tài liệu tham khảo:

1. Hagedorn, S., Walde, S., Knauer, A., Susilo, N., Pacak, D., Cancellara, L., … & Weyers, M. (2020). Hiện trạng và triển vọng của các mẫu AlN trên sapphire dùng cho điốt phát sáng tia cực tím. trạng thái vật lý rắn (a), 217(14), 1901022.
2. Uesugi, K., Shojiki, K., Tezen, Y., Hayashi, Y., & Miyake, H. (2020). Ngăn chặn các gò đồi xoắn ốc do trật khớp gây ra trong AlGaN được phát triển MOVPE trên mẫu AlN được ủ trực tiếp được ủ bằng phương pháp phún xạ. Thư Vật lý Ứng dụng, 116(6).
3. Walde, S., Huang, CY, Tsai, CL, Hsieh, WH, Fu, YK, Hagedorn, S., … & Huang, CY (2022). Epit Wax AlGaN chất lượng cao trên mẫu AlN được thiết kế dạng mạng dành cho điốt phát sáng UVC công suất cao. Acta Materialia, 226, 117625.
4. Kojima, K., Nagasawa, Y., Hirano, A., Ippommatsu, M., Honda, Y., Amano, H., … & Chichibu, SF (2019). Cấu trúc định vị sóng mang kết hợp với các vi đường hiện tại trong giếng lượng tử AlGaN được phát triển trên mẫu AlN với các bước macro. Thư Vật lý Ứng dụng, 114(1).