研究论文

14 退火调控ITO/p-GaN局域界面接触以实现低电流密度高效Micro-LED

Micro-LED兼具高亮度、响应速度快、使用寿命长和稳定性好等优势，被认为是智能穿戴、近眼显示以及光通信的重要候选技术之一。不同应用场景对Micro-LED器件工作电流的要求差异很大：高速光通信通常需要较高的电流密度，以获得足够大的调制带宽；而近眼显示和穿戴式设备更关心低电流条件下的发光效率和功耗。目前，提高Micro-LED低电流效率的研究主要集中在优化外延结构、改善晶体质量、调整电子阻挡层以及降低刻蚀侧壁缺陷等方面。这些方法往往需要重新设计外延材料结构，工艺复杂、成本较高。氧化铟锡（ITO）被广泛用于氮化镓基Micro-LED，以往对ITO的研究集中在追求更高的透光率、更低的方块电阻和更小的接触电阻等方面，而ITO与p-GaN之间的原子尺度界面能否主动调节Micro-LED的效率行为，尚未得到充分关注。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陆书龙研究员课题组通过调节射频-直流磁控溅射ITO的退火温度，在ITO/p-GaN界面构建出离散的纳米接触区域，使Micro-LED在低电流密度下获得显著增强的光输出。研究人员制备了边长为5～30 μm的蓝光Micro-LED，并将样品分别在500 ℃和700 ℃条件下进行了3 min氮气退火。两组器件使用相同的外延片和基本相同的制造流程，其ITO薄膜的方块电阻及可见光波段的折射率、消光系数也十分接近。这意味着，两组器件性能上的差异不能被归因于不同器件制备工艺、ITO透光率或薄膜导电能力的变化。

高分辨TEM观察揭示了真正的区别，如图1(a)和(b)所示，在700 ℃退火样品中，In原子较为连续地进入p-GaN晶格，并占据部分Ga原子位置，在界面形成约两个原子层厚的连续过渡区域；而在500 ℃退火样品中，这种原子替位并不连续，而是沿界面形成一个个彼此分离的纳米尺度接触区域。700 ℃样品的ITO/p-GaN比接触电阻率约为1.95×10^-4 Ω·cm²，低于500 ℃样品的1.01×10^-1 Ω·cm²。按照传统认知，接触电阻越小，器件性能通常越好。但实验结果却显示，在低电流密度下，接触电阻较大的500 ℃样品反而获得了更高的辐射功率和电光转换效，如图1(c)所示。实验结果显示，在5 A/cm²的低电流密度下，经过500 ℃退火的10 μm器件光输出功率达到1.3×10^-1 mW，而700 ℃退火器件仅为5.3×10^-4 mW，前者提高了两个数量级以上。此外，局域注入显著改变了效率峰值出现的位置，如图1(d)所示。对于5 μm器件，700 ℃样品需要在约140 A/cm²时才能达到外量子效率峰值，而500 ℃样品在约17 A/cm²时便达到峰值，峰值电流密度降低近一个数量级。对于20 μm器件，两组样品的峰值外量子效率分别约为17.8%和16.4%，说明将效率峰值移向低电流区的同时，并没有牺牲器件能够达到的最高效率水平。

不过，局域注入并非在所有工作条件下都天然占优，后续研究需要更加精确地控制纳米接触区域的尺寸、数量和间距，在低电流增强、高电流承载能力以及发光均匀性之间取得平衡。总体而言，该研究证明，Micro-LED的透明电极不仅仅影响器件的电流扩散注入行为，也可以成为调控载流子空间分布和效率工作区间的重要功能界面。该工作为低功耗Micro-LED提供了一条不同于传统外延优化和侧壁钝化的技术路径，也为其他半导体发光器件开展面向应用场景的界面工程提供了新的启示。

图1.（a）700 ℃退火样品高分辨TEM图像；（b）500 ℃退火样品高分辨TEM图像；（c）10 μm Micro-LED器件的光输出功率；（d）不同尺寸Micro-LED的峰值电流密度。

该文章以题为“Annealing-modulated localized contact at ITO/p-GaN interface for high-efficiency Micro-LEDs at low current density”发表在Journal of Semiconductors上。

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Annealing-modulated localized contact at ITO/p-GaN interface for high-efficiency Micro-LEDs at low current density

Ying Gu, Mengyang Huang, Jie Zhou, Zheyuan Hu, Peng Zhang, Min Jiang, Jianjun Zhu, Wenxian Yang, Shulong Lu

J. Semicond.  2026, 47(7): 072402  doi: 10.1088/1674-4926/26030032

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15 N极性AlN上薄层GaN沟道的电输运极限

本文系统研究了在蓝宝石衬底上外延生长的N极性AlN (0001—) 模板上，薄层GaN沟道厚度对其电学输运性能的影响。结果表明，随着GaN厚度增加，面载流子浓度逐渐上升，基于费米能级钉扎于导带底下方约0.8 eV处的模型计算，可定量解释这一现象。迁移率在沟道厚度增至6 nm前显著增加，这与二维电子气（2DEG）波函数与表面层的重叠程度减弱有关。随后，在厚度增至10 nm的过程中，迁移率增速放缓，对应于AlN/GaN界面附近0.5 nm范围内（即受界面粗糙度影响区域）2DEG占比的降低。迁移率最终在约400 cm²·V^-1·s^-1处达到饱和，其机制可能源于位错的产生以及2DEG波函数与AlN背栅内深能级陷阱的重叠。当厚度超过15 nm时，迁移率开始下降，这可能与薄膜逐渐发生弛豫并产生失配位错有关。此外，对包括文献报道在内的所有N极性AlN/GaN沟道的温度依赖迁移率分析表明，均存在一个与T^-2成正比的反常贡献项。该现象可归因于电子有效质量增加了50%，进而增强电子-声子散射，最终将室温迁移率限制在约750 cm²·V^-1·s^-1，并使片电阻维持在200 Ω/□以上。

图1.（a）不同沟道厚度（4.1、11.0、15.4、18.9 和 22.1 nm）下GaN表面形貌的 2×2 μm² AFM图像。黄色箭头表示GaN层的晶向，小绿色箭头突出了尖锐沟槽的出现。AFM图像右侧的面板汇总了对应观察到的RMS表面粗糙度。（b）XRD在101—5反射附近记录的RSM图谱。当沟道厚度大于16.5 nm时，GaN峰值左侧出现一个肩部（大箭头），表明存在部分应变松弛。

该文章以题为“The limits of electrical transport in thin GaN channels on N-polar AlN”发表在Journal of Semiconductors上。

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The limits of electrical transport in thin GaN channels on N-polar AlN

Yoann Robin, Itsuki Furuhashi, Markus Pristovsek

J. Semicond.  2026, 47(7): 072501 doi: 10.1088/1674-4926/26010034

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16 GaN基蓝/绿双色发光二极管的色彩调控

Ⅲ族氮化物半导体材料具有连续可调的禁带宽度，在白光照明和全彩显示领域具有重要的应用。在全彩应用中，主流做法是采用蓝光LED与绿光LED两种芯片组合实现蓝光和绿光发射的方案，但此方案存在蓝绿光LED芯片波长随电流变化不一致从而导致光谱偏移等问题。

近日，中国科学院半导体研究所张逸韵、李志聪研究团队通过外延垂直堆垛的方式制备了色彩可调控的单芯片蓝绿光双色LED。在该工作中，他们在靠近n-GaN侧制备了10对绿光多量子阱（MQWs），而在p-GaN侧制备了10对蓝光MQWs，并利用5 nm厚的GaN间隔层分隔这两种MQWs。在极低电流注入条件下，器件发绿光，随注入电流的增加，蓝光峰开始出现，器件开始同时发射蓝光和绿光；随电流持续增加，蓝光和绿光发射强度逐渐增强，而蓝光和绿光的峰位及半高宽则基本保持稳定。仿真研究结果揭示了双波长MQWs之间的间隔层在载流子分布和辐射复合过程中起到关键性作用。

本项研究表明可通过外延结构中MQWs间隔层设计和注入电流的变化精确调控双波长LED的发光特性，为LED发光色彩调控提供了一种灵活且低成本的调控策略，为高性能单片多色LED器件的设计与制备奠定了基础。

图2.（a）双色LED在不同注入条件下的发光情况；（b）双色LED在不同注入电流下（1 mA-80 mA）的发光颜色对应在CIE 1931色度图中色坐标的位置（白点对应白光的位置）。

该文章以题为“Color modulation in GaN-based blue-green dual-wavelength light-emitting diodes”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Color modulation in GaN-based blue-green dual-wavelength light-emitting diodes

Xiaoping Zhou, Rui Ren, Yanan Guo, Jianchang Yan, Zhicong Li, Yiyun Zhang, Xiaoyan Yi, Junxi Wang, Jinmin Li

J. Semicond.  2026, 47(7): 072502  doi: 10.1088/1674-4926/26030016

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