北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心許福軍、沈波團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出III族氮化物外延薄膜應(yīng)力連續(xù)可控調(diào)制新技術(shù)路線，成功實(shí)現(xiàn)了高性能中波紫外（UVB）發(fā)光器件的制備。相關(guān)成果以“采用晶格調(diào)控框架的高性能III族氮化物UVB發(fā)光器件堆垛”（Stacking III-nitride ultraviolet-B light emitters with high efficiency via a lattice-engineered architecture）為題，于2025年8月4日發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
III族氮化物AlGaN基紫外光源在國(guó)防、公共衛(wèi)生等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，特別是中波紫外光源（280-320 nm）在生物醫(yī)療方面具有不可替代的應(yīng)用前景。目前，中波紫外LED（UVB-LED）面臨電光轉(zhuǎn)換效率低下的難題，其根源在于器件結(jié)構(gòu)堆垛中，AlN模板與低Al組分AlGaN外延薄膜之間存在很大的晶格失配，因此AlGaN外延過(guò)程中承受極大的壓應(yīng)力（AlGaN的面內(nèi)晶格常數(shù)大于AlN），導(dǎo)致位錯(cuò)缺陷增殖以及表面形貌糙化，直接造成器件效率（特別是內(nèi)量子效率）低下。通過(guò)調(diào)控AlN模板中的應(yīng)力（引入張應(yīng)力），是減小AlN與AlGaN之間晶格失配，提高AlGaN外延質(zhì)量的有效手段。但是目前尚缺乏大幅度可控調(diào)制AlN應(yīng)力的有效途徑。
針對(duì)上述難題，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于MOCVD金屬有機(jī)源原位預(yù)處理的AlN應(yīng)力調(diào)控新技術(shù)路線，通過(guò)預(yù)處理過(guò)程中金屬有機(jī)源分解產(chǎn)生的碳原子的沉積，在晶圓表面形成高密度多孔的納晶石墨掩膜，引起AlN生長(zhǎng)過(guò)程中的側(cè)向外延過(guò)程。并通過(guò)側(cè)向外延過(guò)程中相鄰晶面間的彈性貼合，在AlN外延薄膜中引入張應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)預(yù)處理?xiàng)l件（處理時(shí)間、金屬有機(jī)源流量等）變化可以實(shí)現(xiàn)AlN應(yīng)力的連續(xù)調(diào)控。通過(guò)該技術(shù)路線，最終實(shí)現(xiàn)了張應(yīng)力2.51 GPa（對(duì)應(yīng)張應(yīng)變?yōu)?.51%）的AlN模板，其面內(nèi)晶格常數(shù)a與Al組分79%的AlGaN相同，極大減小了AlN模板與后續(xù)AlGaN外延薄膜之間的晶格失配，并由此實(shí)現(xiàn)了Al0.4Ga0.6N薄膜的高質(zhì)量外延。以此為基礎(chǔ)，310 nm多量子阱有源區(qū)的內(nèi)量子效率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的65.7%，同時(shí)310 nm UVB-LED的電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到4.88%，位居國(guó)際報(bào)道先進(jìn)水平。
圖a：MOCVD原位金屬源預(yù)處理示意圖，圖b：AlN模板的截面HAADF-STEM圖像，圖c：AlN模板的EDS圖像，圖d：HAADF-STEM圖像的幾何相分析結(jié)果，圖e：AlN模板的XRD倒空間mapping結(jié)果，圖f：波長(zhǎng)310 nm多量子阱有源區(qū)的內(nèi)量子效率（變溫PL）測(cè)試結(jié)果。
北京大學(xué)博士生張子堯?yàn)樵撜撐牡谝蛔髡?，王嘉銘特聘副研究員、許福軍教授和沈波教授為共同通訊作者。該工作得到了葛惟昆教授的指導(dǎo)和幫助，北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心郎婧、鞠光旭、康香寧、秦志新、楊學(xué)林、唐寧、王新強(qiáng)等老師和部分同學(xué)亦對(duì)該工作做出了貢獻(xiàn)。
該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科委重大項(xiàng)目、北京順義區(qū)科技項(xiàng)目及北京中博芯半導(dǎo)體科技有限公司等的大力支持。
論文原文鏈接
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202508380
（來(lái)源：北大物理人）
