应变诱导AlGaN量子阱外延中纳米级成分波动的原子尺度解析

本研究针对AlGaN量子阱外延中应变诱导的纳米级成分波动问题，通过对比不同位错密度AlN模板上的生长过程，结合高分辨扫描透射电镜（HR-STEM）和原子探针断层扫描（APT）技术，揭示了压缩应变促进Ga偏析的机制。研究发现应变诱导的晶格畸变会引发生长前沿失稳及新缺陷成核，为紫外LED材料设计提供了原子尺度调控依据。

　　

在第三代半导体材料研究中，AlGaN基紫外发光二极管（UVC-LED）因其在杀菌消毒、光刻等领域的应用潜力备受关注。然而，外延生长过程中应变与成分波动的耦合效应长期制约器件效率提升。传统观点认为位错密度是影响材料质量的关键因素，但工业技术研究院（台湾）与台湾大学的研究团队在《Scripta Materialia》发表的最新研究，通过原子尺度表征技术揭示了应变场对成分分布的直接影响机制。

研究团队采用对比实验设计，在两种初始位错密度不同的高质量AlN缓冲层上执行相同条件的AlGaN量子阱外延。通过高分辨扫描透射电镜（HR-STEM）的几何相位分析，发现高压缩应变模板生长的样品在多量子阱（MQW）区域呈现更显著的局部晶格常数畸变。原子探针断层扫描（APT）技术进一步证实这种畸变源于应变诱导的Ga元素偏析。令人惊讶的是，纳米级成分波动会形成正反馈循环：局域富Ga区在后续外延中更易捕获Ga原子，导致生长前沿失稳并诱发新缺陷。能谱显微镜与APT的一维成分谱均显示，应力弛豫过程中伴随氮元素的脱附现象，这为理解AlGaN材料降解机制提供了新视角。

关键技术方法包括：1）采用不同位错密度的AlN模板进行对比外延；2）HR-STEM结合几何相位分析量化晶格畸变；3）APT三维重构解析元素分布；4）能谱分析追踪氮脱附行为。

【研究结果】
• 应变-成分耦合效应：HR-STEM显示高应变模板的MQW区域局部晶格膨胀达0.5%，APT证实该区域Ga含量提升12%，证明应变场直接调控组分分布。
• 生长动力学异常：成分波动形成自催化生长模式，富Ga区像"陷阱"般持续捕获Ga原子，导致传统外延模型失效。
• 缺陷演化路径：应力弛豫过程中，氮空位（V_N
）浓度增加与位错环形核存在时空相关性，暗示材料降解的起始位点。

这项研究首次建立了AlGaN外延中"应变场-成分波动-缺陷演化"的定量关联模型，不仅解释了工业界常见的效率衰减现象，更提出通过精确调控初始应变场来优化量子阱均匀性的新策略。研究揭示的氮脱附机制对理解宽禁带半导体器件的长期稳定性具有普适意义，为开发高性能UVC-LED提供了原子尺度的理论框架。