掺镁的GaN超晶格提升了AlGaN UVC LED的性能

《Journal of Luminescence》：Mg-intercalated GaN superlattices enhancing the performance of AlGaN UVC LEDs

本研究通过在p-AlGaN中实施Mg-delta掺杂，成功降低UVC LED的反向漏电流达71%，同时显著提升光输出功率。实验表明，Mg掺杂形成的超晶格结构增强了载流子浓度和迁移率，为UVC LED的高效化提供了新方法。

　　

罗长德|董志安|曾向寿|陶张峰|马妮|李军|胡杰森|潘炳东|郭世平|丁国健|王洋|王晓辉|贾海强|王桥|杨荣|李阳峰

湖南大学半导体学院（集成电路学院）长沙半导体技术与应用创新研究所，中国长沙410082

摘要

氮化铝镓（AlGaN）紫外发光二极管（UV LEDs）在UVC波段发光，可实现环保高效的杀菌、消毒和水净化。然而，p-AlGaN中镁（Mg）的高激活能阻碍了UVC LEDs性能的提升。在本研究中，我们通过Mg-delta掺杂技术降低了p-AlGaN的反向漏电流，并提高了其光输出功率。与传统器件相比，采用这种设计的UVC LEDs反向漏电流降低了71%，光输出功率（LOP）显著增强。扫描透射电子显微镜（STEM）观察发现，Mg插入的GaN超晶格结构增加了AlGaN中的空穴浓度和迁移率，从而提升了UVC LEDs的性能。

引言

氮化镓（GaN）开创了固态照明的新时代，得益于其可调的宽直接带隙、高发光效率以及n型和p型掺杂的可行性[[1], [2], [3], [4]]。铟氮化镓（InGaN）广泛应用于蓝光、绿光、黄绿光甚至红光发光二极管（LEDs）[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]和激光二极管（LDs）[[13], [14], [15], [16], [17]]。而铝氮化镓（AlGaN）的发光波长范围为210 nm至365 nm，属于紫外（UV）光谱区域[[18], [19], [20], [21]]。由于大气层的强烈吸收，地球上的UVC（100 nm–280 nm）辐射较为罕见，这使得大多数生物对UVC暴露毫无抵抗力，因此UVC LEDs具有高效的杀菌效果[2]。与传统汞灯相比，UVC LEDs更加环保、体积更小且节能[22]。然而，由于高激活能，镁（Mg）掺杂在p-AlGaN中难以激活，导致空穴浓度和迁移率不足[23]。虽然使用p-GaN而非p-AlGaN可以改善这一问题，但强烈的吸收会显著降低光提取效率（LEE）。王等人通过将镁（Mg）退火到GaN上，制备出了二维镁插入的GaN超晶格（MiGs）[24]，并发现该结构显著提高了空穴浓度和迁移率。然而，这种直接在GaN上形成MiGs的方法与现有的AlGaN外延方法（如金属有机化学气相沉积（MOCVD）不太兼容。最近的研究表明，p-GaN的delta掺杂降低了镁的激活能，并提升了278 nm波长的深紫外LED的光输出功率（LOP）[23]。

受上述研究的启发，我们提出了在p-AlGaN中实施Mg-delta掺杂的方案，并优化了掺杂条件。制备的UVC LEDs的发射波长均低于280 nm。通过扫描透射显微镜（STEM）观察到，Mg-delta掺杂样品中的MiGs结构，表明这种生长方法适用于提高p-AlGaN中的空穴浓度和迁移率。Mg-delta掺杂的UVC LEDs表现出较低的反向漏电流（I_r）和更高的光输出功率（LOP），显示出其在UVC LEDs领域的应用前景。

实验细节

实验方法

UVC LED结构采用MOCVD（AMEC HiT3）技术在纳米凹圆图案的2英寸蓝宝石衬底（NPSS）上生长[[25]]。蓝宝石衬底上的凹圆图案宽度为770 nm，深度为390 nm，周期为1.4 μm。这种纳米图案有助于减少后续外延层中的位错，从而显著提高AlN的晶体质量[[26]]。生长120个周期后得到AlN/n-Al_0.75Ga_0.25N

结果与讨论

图1a和b展示了基础掺杂（base）和Mg-delta掺杂（Mg treat）UVC LED的结构示意图，图1c显示了两种样品在相同生长条件下的原位温度（使用940 nm光源测量）和反射率曲线（使用405 nm光源测量），唯一区别在于p-AlGaN的成分。p-AlGaN生长过程中进行30分钟的Mg处理会在反射率曲线上产生台阶现象。原子力显微镜（AFM）观察到的生长样品表面形貌显示...

结论

总之，我们通过Mg的delta掺杂在p-AlGaN中实现了MiGs结构。这种结构使UVC LEDs的光输出功率（LOP）得到提升，反向漏电流降低了71%。尽管器件性能仍有进一步优化的空间，但本研究提供了结构和成分上的直接证据，证明了Mg-delta掺杂与MiGs的形成以及UVC LED性能提升之间的关联。这一策略为改进UVC LEDs性能提供了新途径。

作者贡献声明

罗长德：验证、资源获取、方法论设计、数据分析、概念构建。董志安：验证、方法论设计、数据分析。曾向寿：验证、方法论设计、数据分析。陶张峰：验证、资源获取、数据分析。马妮：资源获取、方法论设计、数据分析。李军：验证、资源获取、数据分析。胡杰森：验证、资源获取、方法论设计、数据分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢以下机构的支持：国家自然科学基金（项目编号：62404077、92477102）、湖南省自然科学基金（项目编号：2024JJ6157）、湖南省教育厅（项目编号：24A0040）、松山湖材料实验室的开放研究基金（项目编号：2023SLABFK09）、极端条件协同利用设施（项目编号：2025-SECUF-PT-003173）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：...）