撰稿 | 课题组撰稿

导读

随着显示技术的不断发展，虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等近眼显示应用对微显示芯片的亮度、分辨率、稳定性和集成度提出了更高的要求。微型发光二极管（micro-LED）因其具有高亮度、长寿命和低功耗等优势，成为下一代微显示技术的重要发展方向。

Ⅲ族氮化物是micro-LED技术发展的重要材料基础。其中，基于极性c面的氮化物LED具有晶体质量高、制备工艺成熟等优势，是目前产业化应用的主流路线。然而，极性面LED中较强的极化电场会导致严重的量子限制斯塔克效应，使得器件的发光效率降低、发光波长随电流变化、载流子横向扩散长度增加。这些问题成为制约高性能micro-LED发展的重要因素。

微弱极化电场量子阱为解决上述问题提供了一条可行的途径。相比非极性、半极性取向或量子点等方案，基于极性面的微弱极化电场LED在降低极化电场的同时，具有更好的产业兼容性。然而，此类结构在实际器件中仍面临发光效率不足的问题，其面向micro-LED的载流子横向限制能力也需要进行验证。

针对上述难题，吉林大学张源涛教授团队联合阿卜杜拉国王科技大学李晓航教授，通过优化外延生长工艺，实现了晶圆级高效极性面微弱极化电场Ⅲ族氮化物LED。该器件效率达到目前同类研究的最高水平，同时表现出优异的波长稳定性和强横向载流子限制能力，为高性能micro-LED提供了新的发展思路。

相关结果以“Weak polarization electric field Ⅲ-N LEDs on polar plane with enhanced efficiency and strong lateral carrier confinement”为题在《Light: Science & Applications》上发表。

 数字合金势垒的脉冲生长模式

在微弱极化电场量子阱中，势垒层是调控极化电场的关键结构。InGaN/AlGaN数字合金势垒为这一调控提供了灵活的材料平台。然而，数字合金势垒在外延生长中存在界面模糊等问题，限制了器件性能的进一步提升。为此，研究团队系统比较了金属有机物化学气相沉积（MOCVD）生长过程中不同脉冲生长模式对数字合金势垒的影响。研究发现，AlGaN生长周期的氨气供给方式是影响数字合金势垒质量的关键因素。采用氨气流量调制的脉冲生长模式，可以有效改善数字合金势垒的界面质量，抑制相关缺陷的形成，并显著提升微弱极化电场量子阱的发光特性。

图1 （a）微弱极化电场量子阱结构示意图；（b）三种MOCVD脉冲生长模式示意图；（c）微弱极化电场量子阱光致发光谱。其中MQWs-1、MQWs-2、MQWs-3的势垒分别采用Pulse-1、Pulse-2、Pulse-3脉冲生长模式，MQWs-4的势垒采用进一步调制氨气流量的Pulse-3脉冲生长模式；（d）不同脉冲生长模式下数字合金势垒的生长模型。

 晶圆级高效微弱极化电场LED

在数字合金势垒脉冲生长模式优化的基础上，研究团队进一步在工业化量产MOCVD机台上制备了4英寸极性面微弱极化电场LED晶圆，所制备晶圆表现出良好的波长均匀性。相比传统InGaN/GaN量子阱LED，微弱极化电场LED表现出更好的波长稳定性，表明量子阱中的极化电场得到有效抑制。与此同时，脉冲生长模式优化显著提升了微弱极化电场LED的发光效率，其峰值外量子效率达到15%，为目前同类研究中的最高水平。

图2 （a）4英寸极性面微弱极化电场LED晶圆照片；（b）采用优化后脉冲生长模式的微弱极化电场LED晶圆的发光峰值波长mapping图；（c）不同注入电流密度下LED的发光峰值波长变化。LED-1和LED-2为微弱极化电场LED，LED-1和LED-2分别采用优化前、后的脉冲生长模式。LED-3为传统InGaN/GaN量子阱LED；（d）LED-2与已报道微弱极化电场LED的峰值外量子效率对比。

 面向micro-LED的强横向载流子限制

随着micro-LED器件尺寸不断缩小，横向扩散的载流子更容易到达侧壁区域，并通过侧壁缺陷发生非辐射复合，导致器件发光效率降低。因此，缩短载流子横向扩散长度、增强横向载流子限制能力，是抑制micro-LED侧壁效应的关键。研究团队通过比较微弱极化电场LED与传统InGaN/GaN量子阱LED的载流子扩散行为发现，微弱极化电场LED具有更短的横向扩散长度，使其器件效率对侧壁效应的敏感性降低约50%，为抑制小尺寸micro-LED中由侧壁效应引起的效率损失提供了有效途径。

图3 （a）不同激发功率下LED-2和LED-3的微区光致发光光斑尺寸对比；（b）不同器件尺寸下micro-LED2和micro-LED3的归一化峰值外量子效率和峰值电流密度。micro-LED2和micro-LED3分别基于LED-2和LED-3器件结构制备。

 总结与展望

本工作通过优化InGaN/AlGaN数字合金势垒的MOCVD脉冲生长模式，成功制备出晶圆级高效极性面微弱极化电场LED。该器件实现了目前同类研究中的最高外量子效率，并表现出优异的波长稳定性和强横向载流子限制能力，为高性能micro-LED的材料外延和器件设计提供了新的技术路径。

论文信息

Zhao, J., Zuo, C., Zhang, L. et al. Weak polarization electric field Ⅲ-N LEDs on polar plane with enhanced efficiency and strong lateral carrier confinement. Light Sci Appl15, 300 (2026).

https://doi.org/10.1038/s41377-026-02359-6

来源：LightScienceApplications

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