提升GaN基LED发光效率：SiO2图形化蓝宝石衬底的TEM分析与性能研究

在现代半导体科技领域，氮化镓（GaN）基发光二极管（LED）因其优异的光电性能而备受关注。为了进一步提升LED的发光效率，科研人员不断探索新的材料和制备技术。本文将重点介绍一种新型SiO2图形化蓝宝石衬底（SiO2 patterned sapphire substrate，SPSS）对GaN生长及其LED发光性能的影响，特别是透射电子显微镜（TEM）在分析GaN外延层晶体质量方面的应用。

一、引言

随着科技的进步，GaN基LED在照明、显示和通信等领域的应用日益广泛。然而，GaN外延层与蓝宝石衬底之间的晶格失配和热失配问题，导致了高密度的位错，这些位错成为非辐射复合中心，降低了LED的内量子效率。为了解决这一问题，科研人员采用了多种技术，如侧向外延生长（ELOG）技术、光子晶体技术、表面粗化技术以及图形化蓝宝石衬底（PSS）技术等。其中，PSS技术因其能够有效降低GaN外延层的位错密度，提高光提取效率而备受关注。

二、实验方法

在本研究中，研究人员采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术在蓝宝石衬底上沉积SiO2薄膜，并通过光刻和干法刻蚀技术制备了SiO2图形化蓝宝石衬底（SPSS）。通过LED器件的外延生长和微纳加工技术，制备了基于SPSS和常规图形化蓝宝石衬底（CPSS）的GaN基LED器件。

三、TEM分析

透射电子显微镜（TEM）作为一种高分辨率的显微分析技术，能够直接观察材料的微观结构，包括晶体缺陷、位错等。在本研究中，TEM被用来分析SPSS和CPSS上GaN外延层的晶体质量。

通过TEM图像，研究人员观察到SPSS上的GaN外延层位错密度较低，晶体质量较高。具体来说，SPSS上的GaN外延层在[1010]晶带轴的暗场TEM图像中显示出较少的位错和缺陷。相比之下，CPSS上的GaN外延层则显示出较高的位错密度，这些位错主要存在于圆锥的锥顶和侧壁之上。此外，SPSS上的GaN外延层在横向合并时，在圆锥的锥顶之上形成了一些位错，但由于底部蓝宝石区域的GaN横向生长和蓝宝石衬底c面区域的GaN生长相结合，产生了堆垛层错，这些堆垛层错的存在有效抑制了位错的攀爬和传播。

为了方便对材料进行深入的失效分析及研究，金鉴实验室具备Dual Beam FIB-SEM业务，包括透射电镜( TEM)样品制备，材料微观截面截取与观察、样品微观刻蚀与沉积以及材料三维成像及分析等。

四、晶体质量分析

晶体质量是影响LED性能的关键因素之一。在本研究中，研究人员通过HRXRD、AFM和拉曼光谱等技术对GaN外延层的晶体质量进行了综合分析。结果显示，SPSS上的GaN外延层具有较低的位错密度和较高的晶体质量。这些结果与TEM观察到的位错分布情况相吻合。

五、光提取效率分析

光提取效率是衡量LED性能的另一个重要指标。通过有限元差分（FDTD）模拟，研究人员发现SPSS-LED的光提取效率比CPSS-LED提高了26%。这表明SPSS结构能够有效地提高光的出射概率，从而提高LED的光输出功率和亮度。

六、LED器件性能分析

在实际的LED器件性能测试中，SPSS-LED的光输出功率和亮度比CPSS-LED提高了约5%。这一结果与模拟仿真的结果相一致，进一步验证了SPSS结构在提高LED发光性能方面的有效性。

七、结论

通过在蓝宝石衬底上引入SiO2图形化结构，可以有效降低GaN外延层的位错密度，提高晶体质量，进而提高LED的光提取效率和器件性能。TEM作为分析晶体质量的重要工具，在本研究中发挥了关键作用。未来的研究可以进一步优化SPSS的结构设计，以实现更高的LED发光效率和更广泛的应用前景。

SiO2图形化蓝宝石衬底（SPSS）在提高GaN基LED发光性能方面具有显著的潜力。TEM技术的应用为我们提供了深入理解材料微观结构与器件性能之间关系的重要手段。随着半导体技术的不断进步，我们有理由相信，通过材料创新和工艺优化，LED的性能将得到进一步的提升，为人类社会的发展做出更大的贡献。