香港科技大學(xué)(HKUST)近日研發(fā)出一種高性能的硅襯底綠黃氮半導(dǎo)體LED，此項(xiàng)新研究成果發(fā)布在IEEEElectronicDeviceLetters上(5月29日)。研究人員稱其565nm黃色LED是第一款硅襯底多量子阱(MQW)設(shè)備。

從理論上講，使用硅作為襯底可降低材料成本和實(shí)現(xiàn)大晶圓直徑產(chǎn)品批量生產(chǎn)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益，但是與傳統(tǒng)、更昂貴的獨(dú)立GaN、藍(lán)寶石或碳化硅(SiC)襯底相比，硅襯底氮半導(dǎo)體會(huì)導(dǎo)致更大的晶格失配。研究人員表示，生產(chǎn)更大波長(zhǎng)的氮半導(dǎo)體LED極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡y以生產(chǎn)出質(zhì)量佳、銦濃度更高的氮化銦鎵(InGaN)產(chǎn)品。雖然半導(dǎo)體晶體管領(lǐng)域中的硅襯底工藝已十分成熟，但類似的生長(zhǎng)方式最近才被應(yīng)用于LED設(shè)備材料。

在2英寸硅片上，研究人員使用金屬有機(jī)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)來生成最初的模板，該模板由氮化鋁(AlN)成核、8對(duì)氮化鋁/氮化鎵(AlN/GaN)層組成，以創(chuàng)造出一個(gè)超晶格(SL)(用作應(yīng)力平衡夾層)和一個(gè)2μmGaN緩沖層。研究人員首先對(duì)SiO2層和銦錫氧化物(ITO)層進(jìn)行沉淀，再利用氯化氫(HCL)酸溶液對(duì)ITO進(jìn)行蝕刻，最后使用等離子蝕刻法來形成二氧化硅(SiO2)納米棒。納米棒的密度為2x109/cm2，表面覆蓋度為35%;其作為GaN再生長(zhǎng)的遮罩，可降低位錯(cuò)密度并提高晶體質(zhì)量。

隨后，通過MOCVD技術(shù)生成LED結(jié)構(gòu)，在納米棒、AlN/GaNSL夾層、2μmN型GaN、5周期多量子阱(MQW)以及200nm的p-GaN周圍再生成800nmGaN。再生成的GaN位錯(cuò)密度為8x108/cm2，被稱為“最低的硅襯底GaN位錯(cuò)密度之一”。

研究人員隨后準(zhǔn)備適用于發(fā)射黃色(565nm)和綠色(505和530nm)光的材料，以制作300μmx300μmLED芯片。如預(yù)期一樣，隨著波長(zhǎng)增加，光輸出功率(LOP)逐漸下降。在20mA條件下，505nm波長(zhǎng)的輸出功率為1.18mW，530nm和565nm波長(zhǎng)的輸出功率分別為0.30mW和74μW。對(duì)于505nm、530nm和565nm設(shè)備，光輸出功率分別在7.60mW(200mA)、2.72mW(180mA)和0.52mW(160mA)條件下達(dá)到飽和狀態(tài)。

據(jù)稱，這是人們首次在硅襯底上成功制造出565nm黃色I(xiàn)nGaN/GaNMQWLED，且505nmLED的LOP遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往的硅LED設(shè)備。除了提高材料質(zhì)量外，該機(jī)構(gòu)研究人員相信納米棒也可以增強(qiáng)光提取散射效應(yīng)。