《Light-Science & Applications》：Weak polarization electric field Ⅲ-N LEDs on polar plane with enhanced efficiency and strong lateral carrier confinement
弱极化电场（polarization electric field, PEF）Ⅲ族氮化物（Ⅲ-nitride）发光二极管（light-emitting diode, LED）为实现下一代显示与可穿戴设备用高性能微LED提供了一条有前景的途径。为实现这一前景，提升弱-PEF LED的效率至关重要，因其仍是下一代光电应用的核心需求。本研究展示了基于优化脉冲生长模式金属有机化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD）制备的极性c面InGaN/AlGaN数字合金（digital alloy, DA）超晶格势垒弱-PEF LED，实现了创纪录的高效率。此外，研究人员揭示了这些LED中强横向载流子束缚效应。通过优化脉冲生长条件，研究人员改善了弱-PEF InGaN/DA多量子阱（multiple quantum wells, MQWs）的结构质量与光学性能。进一步地，研究人员实现了峰值外量子效率（external quantum efficiency, EQE）高达15%的弱-PEF DA基蓝光LED，为目前同类研究中的最高值。重要的是，弱-PEF DA基LED具有强横向载流子束缚能力，相比传统GaN基MQWs LED，其侧壁效应导致的效率退化更小。该工作向高性能弱-PEF Ⅲ族氮化物LED，特别是微LED应用中效率与载流子束缚均至关重要的领域，迈出了有意义的一步。
该研究聚焦于Ⅲ族氮化物半导体光电器件领域，旨在解决极性c面GaN基LED中因强极化电场引起的量子限制斯塔克效应（quantum confined Stark effect, QCSE）这一关键瓶颈问题。QCSE导致能带倾斜、电子和空穴波函数空间分离，进而引发发射波长红移、发光效率下降、载流子横向扩散长度增加及调制带宽降低等一系列负面效应，对波长稳定性、高效率和强载流子束缚要求极高的微LED尤为不利。尽管非极性/半极性面可缓解QCSE，但c面因其成熟的外延技术、高晶体质量及晶圆级兼容性仍是商业LED生产的主流取向，因此在c面 mitigate QCSE兼具技术关键性与工业必要性。
现有缓解QCSE的策略中，InGaN量子点（quantum dots, QDs）因强量子束缚显示潜力，但复杂精细的制备工艺制约其大规模生产。弱-PEF MQWs作为潜在替代方案，可在标准MOCVD工艺兼容下实现QCSE抑制。四元InAlGaN材料因其在晶格常数、带隙能量和极化方面具有额外调控自由度而被视为实现弱-PEF MQWs的关键材料。然而，InN与AlN之间键长和结合能差异大导致原子迁移率和分解温度不同，加之大的混溶隙引发相分离，使得高晶体质量、原子级平整表面的InAlGaN制备困难，且标准X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）方法因四元体系缺乏唯一解而使成分表征复杂化。
为应对上述挑战，研究人员采用数字合金（DA）替代四元材料。DA是由二元或三元合金以原子尺度层厚构成的短周期超晶格，在解决Ⅲ族氮化物晶体问题方面已证明有效。InGaN/AlGaN DA是理想替代方案，生长过程中In和Al原子分别引入反应腔，可降低不混溶性并改善晶体质量，且通过调整三元材料成分和厚度可精确控制DA的平均含量。研究人员前期已验证InGaN/AlGaN DA作为量子势垒（quantum barriers, QBs）的弱-PEF LED，DA QBs相比InAlGaN QBs具有更高带隙偏移，有利于量子阱（quantum wells, QWs）中的载流子束缚。但DA QBs的理论优势尚未完全实现，主要归因于InGaN/AlGaN DA QBs生长过程中不可避免的In原子聚集及相对较低的生长温度，这些因素恶化了表面形貌和光学性能。
本研究利用优化NH
3供给方案的脉冲生长模式MOCVD，实现了当前效率最高的InGaN/AlGaN DA QBs弱-PEF LED。该优化方案在AlGaN生长期间以减小流量的连续NH
3供给，有效抑制了额外In原子的引入并防止N空位（V
N）的产生，显著提升了DA QBs MQWs的发光强度。研究人员提出生长模型解释脉冲生长模式下DAs的外延生长机制，并将该方法转移至工业量产MOCVD，实现了弱-PEF LED晶圆的工业级制备。制备的InGaN/DA MQWs LED在PEF低至0.5 MV cm
-1时表现出高达15%的峰值EQE及优异的波长稳定性，且具备强横向载流子束缚特性，载流子寿命与InGaN QDs相当，横向扩散长度远短于传统GaN基MQWs LED，为平衡Ⅲ族氮化物微LED工业规模生产兼容性与载流子束缚挑战提供了可行途径。该论文发表于《Light-Science & Applications》。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：优化脉冲生长模式MOCVD外延技术，通过对NH
3流量调制实现InGaN/AlGaN DA的高质量生长；XRD 2θ-ω扫描用于表征DA超晶格周期结构及晶体质量；光致发光（photoluminescence, PL）及其功率依赖（power-dependent PL, PDPL）和时间分辨（time-resolved PL, TRPL）测量用于光学性能表征；扫描透射电子显微镜（scanning transmission electron microscopy, STEM）及能量色散X射线光谱（energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS）用于微结构及元素分布分析；原子级模拟（APSYS软件）用于载流子分布模拟；微PL测量用于表征载流子横向扩散；以及基于工业Veeco K465I MOCVD系统的4英寸晶圆制备及标准LED芯片工艺。
**不同脉冲生长模式下DAs的生长与表征**
研究人员设计了三种脉冲生长模式（Pulse-1至Pulse-3）制备InGaN/AlGaN DAs。Pulse-1模式下NH
3在AlGaN期间脉冲供给、InGaN期间连续供给；Pulse-2模式下NH
3全程连续且流量恒定；Pulse-3模式类似Pulse-2但AlGaN期间NH
3流量降低。通过XRD (0002)面2θ-ω扫描确认所有DA样品均呈现超晶格0级和-1级卫星峰，具有周期性结构。随着AlGaN期间NH
3流量从0.22降至0.01 μmol min
-1，-1级卫星峰半高宽（full width at half maximum, FWHM）从4777 arcsec大幅降至666 arcsec，表明DA晶体质量显著提升。室温PL测量显示，DA-2（Pulse-2模式）出现460 nm额外发射峰及77 nm大FWHM，源于AlGaN层中In原子聚集；该额外峰随NH
3流量降低而逐渐消失，且发射峰FWHM显著减小。405 nm原位反射率曲线显示，DA-2和DA-3因高In含量导致带隙降低而对探测光产生吸收，DA-4则恢复振荡特征。DA-4的STEM像及EDS映射证实InGaN和AlGaN层厚各为1.1 nm，且Al和In分别均匀掺入、层间无额外原子扩散。
**基于不同DA生长条件的MQWs光学性能研究**
基于四种DA条件制备了MQWs-1至MQWs-4。PL表征显示，Pulse-1模式制备的MQWs-1发光微弱，仅可见黄光带；改为Pulse-2后MQWs-2发光强度显著增强；Pulse-3模式下MQWs-3和MQWs-4发光性能进一步优化，MQWs-4发光最强。MQWs-1性能差归因于Pulse-1模式AlGaN生长期间化学计量失衡导致的V
N和C
N缺陷增加非辐射复合；Pulse-2连续NH
3有效抑制了N相关缺陷；Pulse-3则通过改善DA QBs结构质量进一步提升了发光性能。MQWs-2的455 nm红移发射峰与DA-2中460 nm肩峰对应，证实In原子向AlGaN层扩散。10 K PDPL测量显示，MQWs-1、MQWs-3和MQWs-4均呈现W1（~405 nm，DA QBs发光）和W2（~430 nm，InGaN QWs发光）双峰，均随激发功率增加蓝移；MQWs-2在低功率下以~450 nm的W3峰为主导，高功率下W1和W2出现而W3消失，表明W3与In聚集区的局域态相关。STEM和TEM对比证实NH
3流量影响界面质量与In掺入行为。
**脉冲 growth modes下DAs的生长模型**
基于实验结果，研究人员提出了不同脉冲模式的生长模型。Pulse-1模式下AlGaN生长期间NH
3与金属有机源分别脉冲注入，低N原子密度下In原子因In-N键能较低更易脱附而非并入晶格，虽有助于形成清晰界面，但N原子短缺导致V
N和C
N缺陷产生。Pulse-2模式下NH
3供给摩尔分数显著增加，提供充足N原子减少N相关缺陷，但In原子扩散使DA QBs界面模糊。Pulse-3模式降低AlGaN期间NH
3流量抑制In原子在AlGaN期间的键合，同时连续NH
3注入提供稳定生长氛围，兼顾了界面清晰度和光学性能优化。
**MQWs-4与常规MQWs-5的PEF对比**
对比了Al
0.16Ga
0.84N/In
0.19Ga
0.81N DA QBs的MQWs-4与常规GaN QBs的MQWs-5。PDPL结果显示，低功率密度下MQWs-4发射峰较MQWs-5蓝移0.2 eV，且随功率增加蓝移更小。采用跃迁能量模型拟合计算得MQWs-4和MQWs-5的PEF分别为0.5和2.0 MV cm
-1，证实DA QBs有效降低PEF。10 K TRPL结果显示，MQWs-4快衰减时间常数τ
fast为0.69 ns，远小于MQWs-5的12.6 ns，表明MQWs-4中电子和空穴波函数重叠更大，载流子复合概率增加。
**基于优化DA条件的弱-PEF LED制备与表征**
研究人员在工业量产MOCVD（Veeco K465I）上实现了4英寸弱-PEF InGaN/DA MQWs LED的工业级制备。对比了Pulse-2模式制备的LED-1（AlGaN期间NH
3流量20 slm）和Pulse-3模式制备的LED-2（减至5 slm），以及与常规InGaN/GaN MQWs的LED-3。EL光谱显示LED-2峰值强度显著高于LED-1，归因于In原子扩散的抑制。电流密度增加时，LED-3最大蓝移5.9 nm，而LED-1和LED-2分别仅0.4和0.3 nm，表明弱PEF特性。LED-2在250 A cm
-2下光输出功率（light output power, LOP）达25.0 mW，较LED-1提升97%，峰值EQE达15%且250 A cm
-2时仍高于10%。与文献报道值对比，LED-2的峰值EQE（15%）为当前极性面异质外延弱-PEF LED最高值（此前最高8.8%），也高于非极性/半极性面异质外延值（最高3.9%），仅低于同质外延非极性/半极性器件，但后者依赖昂贵衬底且工艺兼容性有限。
**弱-PEF LED的强横向载流子束缚表征**
除高效率外，弱-PEF LED还表现出强载流子束缚能力。APSYS模拟显示，电子从LED中心扩散至侧壁时，LED-2电子浓度降低94%，而LED-3仅降低50%；空穴浓度分别降低78%和40%。微PL测量显示各激发功率下LED-2光斑直径均显著小于LED-3，与载流子寿命减小导致的扩散长度缩短预期一致。制备了10×10至60×60 μm
2尺寸的微LED以研究尺寸效应。采用ABC模型分析，微LED-2和微LED-3的峰值EQE（EQE
peak）和峰值EQE对应电流密度（J
peak）均随尺寸减小（周长/面积比增加）而分别降低和升高，但微LED-2的尺寸依赖性显著小于微LED-3。因光提取效率随尺寸变化难以量化侧壁敏感性，研究人员采用J
peak-l/S线性拟合斜率进行量化，微LED-2与微LED-3的斜率比约0.5，与微PL光斑直径比一致，表明弱-PEF LED较常规LED降低约50%的侧壁敏感性。此外，弱-PEF InGaN/DA MQWs的载流子寿命低于常规InGaN/GaN QWs，且与InGaN QDs相当，为微LED和激光二极管（laser diodes, LDs）中降低横向载流子扩散提供了MQW途径。
**讨论**
研究人员实现了当前EQE最高、具有强横向载流子束缚的弱-PEF DA基LED，相较先前DA基弱-PEF设计取得清晰性能突破。该增强性能源于优化的InGaN/AlGaN DA脉冲模式MOCVD生长。研究发现AlGaN生长期间脉冲NH
3流量导致InGaN/DA MQWs发光特性差；而连续高NH
3流量引起额外In原子掺入，导致DA结构质量劣化。通过NH3流量调制的脉冲生长模式可有效解决上述问题，既抑制N相关缺陷产生又避免AlGaN中In团簇形成。基于DAs结构和光学性质，研究人员提出生长模型解释脉冲生长模式对外延生长机制的影响。
制备的InGaN/DA MQWs LED在PEF低至0.5 MV cm-1时表现出高达15%的峰值EQE及优异的波长稳定性，证明了高质量InGaN/AlGaN DA在实现高性能弱-PEF LED方面的优越性。同时，InGaN/DA MQWs LED展现出强横向载流子束缚能力，较传统GaN基MQWs LED受侧壁效应影响导致的效率退化更小，为平衡微LED工业规模生产兼容性和载流子束缚挑战提供了广阔前景。该工作提出了制备高质量InGaN/AlGaN DA的可靠外延方法，为基于极性面实现高性能弱-PEF Ⅲ-N LED提供了实验基础。
