隋佳恩， 贲建伟， 臧 行， 蒋 科， 张山丽， 郭冰亮，陈 洋， 石芝铭， 贾玉萍， 黎大兵， 孙晓娟*

(1． 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室， 吉林 长春 130033;2． 中国科学院大学 材料科学与光电工程中心， 北京 100049； 3. 北京北方华创微电子装备有限公司， 北京 100049)

1 引 言

AlN是第三代半导体的典型代表，具有直接宽带隙(6.2 eV)、良好的化学稳定性和热稳定性等优势，并且能够解决外延AlGaN材料开裂的问题，是深紫外发光二极管(Light-emitting diode, LED)普遍采用的基底材料。目前，AlN材料通常生长在c-sapphire衬底上，由于Al原子与N原子电荷中心不重合，使得AlN成为极性材料，存在强自发极化与压电极化效应。基于极性AlN外延的AlGaN深紫外LED中的强极化效应引起量子阱中电子、空穴波函数的分离，即量子限制斯塔克效应(Quantum-confined Stark effect,QCSE)，直接降低深紫外LED的量子效率，成为制约深紫外LED效率提升的重要原因。

为了降低AlN基光电子器件中的QCSE，提出了对量子垒进行Si掺杂[7]、适度降低AlGaN基紫外LED量子垒中Al组分[8]等多种方案。但是，这些方法均无法从本质上消除QCSE的影响。消除QCSE效应最根本的方法是利用非极性面的AlN基底材料(包括a面以及m面，其中a-AlN更有利于后续的外延生长[9])，进而获得非极性面的量子阱结构。

但是，相比在c-sapphire衬底上生长极性c-AlN，非极性a-AlN生长面临更大的挑战，目前尚难以实现高质量a-AlN材料。其主要原因如下：(1)c-AlN生长在c-sapphire衬底上，尽管c-AlN与c-sapphire之间存在大的晶格失配，但是各个方向的失配度是均匀的。而a-AlN生长在r-sapphire衬底上，a-AlN与r-sapphire之间失配度大且不均匀：平行于c轴方向a-AlN与r-sapphire衬底之间的失配度为-2.8%，而垂直于c轴方向a-AlN与r-sapphire衬底之间的失配度为13.1%[10]。……