有源区量子阱的内量子效率（IQE）低是在众多制约AlGaNDUV-LED发展的因素里十分重要的一个；同时，在众多改善这一制约的措施中，都可以从以下两点来概括：一方面是保证量子阱结构的均一稳定性，例如拥有光滑平整的界面，以保持载流子的局域完成高效的辐射；另一方面，需严格控制并减少量子阱内的缺陷密度。针对这两点，在此研究中，我们采用严格的温度控制、优化的Ⅴ/Ⅲ比和Si掺杂浓度来制约缺陷的形成，同时，利用纳米图形化的蓝宝石衬底（NPSS）来保证AlN模板和多量子阱（MQWs）低的位错密度（TDD）。
结果分析
本研究中LED器件的基本结构为：1250℃下生长4 um的AlN模板；而后生长10个周期的AlN(15 nm)/Al0.55Ga0.45N(10 nm)超晶格应力调控层（1180℃）;n-AlGaN（1.5 um，1160℃）；最后生长10个周期的量子阱（Well：2.3 nm-Al0.35Ga0.65N，Barrier：10 nm-Al0.5Ga0.5N）。
首先测试了AlN模板的XRD摇摆曲线和AFM，(0002)和(10-12)的半峰宽分别为110和176 arcsec，计算得到位错密度TDD为3.23*108 cm-2；AFM可以看到清晰明了的台阶流，表面粗糙度RSM仅为0.08 nm。
为了避免之后生长的应力调控层和n-AlGaN对量子阱产生的影响，我们在制备的AlN模板上不同温度下直接生长了量子阱。图2展示了4个温度下量子阱样品的2theta-Omega XRD扫描图谱，在1060和1100℃下，可以看到清晰的卫星峰，这表示了量子阱间形成光滑平整的界面，当温度升至1116和1153℃后，卫星峰退化消失不见，这表明界面在1100℃以上时很难维持。
而后的TEM测试也同样证实了这一点，在1060和1100℃下可以看到十分锐利的界面，之后的全结构将会在1100℃下生长MQW，虽然说低于1100℃时，界面同样清晰，但是高温会促进Al原子的迁移能力，因此在1100℃下生长。
根据课题组之前的研究，我们发现：在AlGaN体系中的点缺陷，其形成能十分依赖于生长时Ⅴ/Ⅲ比和Si的掺杂能级；Ⅴ/Ⅲ不同的大小可改变体系中点缺陷的种类和密度，特别是N、Al空位和C杂质，可以猜测的是，优化Ⅴ/Ⅲ能够抑制点缺陷的形成，以得到高的IQE，于是制备了Ⅴ/Ⅲ值分别为500、1000和2000的样品，测试得到PL衰减曲线，根据其可拟合得到荧光时间和IQE的值，荧光时间代表着有源区中的非辐射复合过程，长的荧光时间则代表对非辐射复合过程的抑制。
如图4所示，Ⅴ/Ⅲ值分别为500、1000和2000时非辐射复合时间分别为510.8、727.3和702.9 ps，这个结果表明富N条件可以有效抑制非辐射复合过程的发生，但是需要注意的是，高的Ⅴ/Ⅲ值将导致金属原子迁移能力变差，影响晶体质量。
而后探究Si掺杂能级对点缺陷形成的影响，制备了4个样品，其中Barrier的掺杂浓度依次为0、5*1017 cm-3、1*1018 cm-3和2*1018 cm-3。Ⅴ/Ⅲ值和生长温度分别为11和1100℃。如图5所示，可以发现：调整Si的掺杂能级确实会抑制点缺陷的产生，值得注意的是，Si重掺杂时会引起凹坑的产生，会严重降低表面粗糙度。
最终，在上述研究的基础上，我们工艺制备了LED的全结构，周期性结构如图6a所示，而后进行电致发光EL测试，结果如图6b，显示出良好的单模发光，在不同注入电流下波长约276.1 nm（疑惑这个不存在QCSE引起的蓝移）。在整个注入电流范围内（0-100 mA），封装器件最优的光输出功率和EQE约为17.3 mW和4.01%，实现了非常优异的器件工作性能。
作者简介：
许福军，男，1979年5月生，2007年毕业于北京大学物理学院，获理学博士学位，现为北京大学物理学院博士生导师、副教授。研究领域为宽禁带半导体材料和器件物理，研究定位为满足国家重大需求的关键材料和器件(芯片)研发。近年来主要开展AlGaN 基深紫外发光材料和芯片研究，在高质量AlN、高效率AlGaN量子阱以及p型AlGaN研究方面达到国际先进水平，在团队支撑下突破了高性能深紫外发光二极管芯片研制的关键技术，并实现科研成果落地付诸产业化应用。近年来，作为负责人承担国家自然科学基金面上项目3项和企业合作横向课题2项；作为子课题负责人参与国家重点研发计划项目1项、北京市科委重点项目1项，山东省重大科技创新工程项目1项和广东省重点研发计划项目1项。迄今以一作/通讯作者在Light:Science & Applications、 Applied Physics Letters、 Optics Express等一流学术期刊上共发表一作/通讯作者论文30多篇（包括研究亮点工作8项），获得/申请国家发明专利10多件（其中多件实现产业化应用）。
（来源：半字笙歌）
