北京大學物理學院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、寬禁帶半導體研究中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室許福軍、沈波團隊創(chuàng)新提出AlGaN基深紫外LED研制的新技術路線，成功實現(xiàn)了高性能垂直注入器件的晶圓級制備。相關成果以“晶圓尺寸垂直注入III族氮化物深紫外發(fā)光器件”（Wafer-scale vertical injection III-nitride deep-ultraviolet light emitters）為題，于2024年10月30日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）。 

AlGaN基深紫外光源在生物醫(yī)療、公共衛(wèi)生、國防等領域有重要應用，是國家的重大需求。目前，深紫外LED面臨電光轉換效率低下的難題，其根源是受器件內(nèi)部多界面全反射制約，大部分深紫外光無法提取，導致器件光提取效率低下。通過激光剝離藍寶石襯底，暴露器件外延層表面并進行微納結構加工，是解決該難題的有效手段。但該方法在基于AlN/藍寶石模板的深紫外LED路線中難以實施：一方面剝離AlN/藍寶石需極短波長（低于210 nm）、極大功率激光器，并且在激光剝離過程中，AlN會分解產(chǎn)生固態(tài)Al金屬滴，造成極大的局部應力，使外延薄膜龜裂。 

針對上述難題，北京大學團隊提出了一種基于GaN/藍寶石模板的深紫外LED制備新技術路線，通過極高Al組分AlGaN層預置裂紋，實現(xiàn)器件結構層與GaN層的應力解耦，得到表面無裂紋的深紫外LED晶圓，同時預置裂紋可有效緩沖剝離過程中的局部應力。該技術路線充分利用了Ga金屬滴在激光剝離過程中為液態(tài)的優(yōu)點，采用常規(guī)的355 nm短波長激光器實現(xiàn)了深紫外LED外延結構2~4英寸晶圓級無損傷剝離，并成功制備出垂直注入器件，有效提升了光提取效率。200 mA注入電流下，發(fā)光波長280 nm的深紫外LED光輸出功率達65.2 mW。

圖a：4英寸深紫外LED外延薄膜的無損傷激光剝離，圖b：GaN模板刻蝕后SEM圖像，圖c：深紫外LED外延薄膜表面糙化SEM圖像，圖d：垂直注入深紫外LED光鏡圖像，圖e：器件電致發(fā)光光譜，圖f：器件出光功率及外量子效率，圖g：器件出光遠場分布。 

北京大學特聘副研究員王嘉銘、博士生冀晨和博雅博士后郎婧為該論文共同第一作者，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和幫助，北京大學寬禁帶半導體研究中心張立勝、康香寧、秦志新、楊學林、唐寧、王新強等老師和部分同學亦對該工作做出了貢獻。 

該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、北京市科委重大項目、北京順義區(qū)科技項目及北京中博芯半導體公司等企業(yè)的大力支持。 

論文原文鏈接

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53857-3

（來源：凝聚態(tài)物理與材料物理研究所）