许福军、沈波团队成功实现垂直注入AlGaN基深紫外发光器件的晶圆级制备

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、宽禁带半导体研究中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室许福军、沈波团队创新提出AlGaN基深紫外LED研制的新技术路线，成功实现了高性能垂直注入器件的晶圆级制备。相关成果以“晶圆尺寸垂直注入III族氮化物深紫外发光器件”（Wafer-scale vertical injection III-nitride deep-ultraviolet light emitters）为题，于2024年10月30日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。

AlGaN基深紫外光源在生物医疗、公共卫生、国防等领域有重要应用，是国家的重大需求。目前，深紫外LED面临电光转换效率低下的难题，其根源是受器件内部多界面全反射制约，大部分深紫外光无法提取，导致器件光提取效率低下。通过激光剥离蓝宝石衬底，暴露器件外延层表面并进行微纳结构加工，是解决该难题的有效手段。但该方法在基于AlN/蓝宝石模板的深紫外LED路线中难以实施：一方面剥离AlN/蓝宝石需极短波长（低于210 nm）、极大功率激光器，并且在激光剥离过程中，AlN会分解产生固态Al金属滴，造成极大的局部应力，使外延薄膜龟裂。

针对上述难题，北京大学团队提出了一种基于GaN/蓝宝石模板的深紫外LED制备新技术路线，通过极高Al组分AlGaN层预置裂纹，实现器件结构层与GaN层的应力解耦，得到表面无裂纹的深紫外LED晶圆，同时预置裂纹可有效缓冲剥离过程中的局部应力。该技术路线充分利用了Ga金属滴在激光剥离过程中为液态的优点，采用常规的355 nm短波长激光器实现了深紫外LED外延结构2~4英寸晶圆级无损伤剥离，并成功制备出垂直注入器件，有效提升了光提取效率。200 mA注入电流下，发光波长280 nm的深紫外LED光输出功率达65.2 mW。

图a：4英寸深紫外LED外延薄膜的无损伤激光剥离，图b：GaN模板刻蚀后SEM图像，图c：深紫外LED外延薄膜表面糙化SEM图像，图d：垂直注入深紫外LED光镜图像，图e：器件电致发光光谱，图f：器件出光功率及外量子效率，图g：器件出光远场分布。

北京大学特聘副研究员王嘉铭、博士生冀晨和博雅博士后郎婧为该论文共同第一作者，许福军教授和沈波教授为共同通讯作者。该工作得到了葛惟昆教授的指导和帮助，北京大学宽禁带半导体研究中心张立胜、康香宁、秦志新、杨学林、唐宁、王新强等老师和部分同学亦对该工作做出了贡献。

该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科委重大项目、北京顺义区科技项目及北京中博芯半导体公司等企业的大力支持。