芯耀
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CINNO Research 产业资讯，最近英国剑桥大学联合德国研究团队，在《Journal of Applied Physics》期刊发表了一项重要的研究成果。该团队通过金属调制外延（MME，Metal-Modulated Epitaxy）技术，成功制备出相稳定性与发光性能显著提升的立方InGaN材料。测试结果显示，基于该材料制备的红色Micro-LED器件，其发光效率与结构稳定性均突破传统生长技术的限制，为下一代微型显示、增强现实/虚拟现实等高端应用提供了核心材料解决方案。
红色LED发光材料的行业痛点与立方InGaN的潜力突围
显示技术升级催生红光材料新需求
当前，全球显示与照明技术正朝着高分辨率、高亮度、微型化、低功耗的方向快速迭代。发LED作为核心发光器件，已广泛应用于显示面板、照明设备、车载显示等领域。其中，Micro-LED凭借自发光、高响应速度、高对比度、长寿命等优势，被公认为AR/VR、超高清显示等下一代技术的核心方案。然而，要实现高质量的全彩色显示，必须突破红光发光材料的性能瓶颈 —— 现有技术难以同时满足 “高效发光” 与 “微型化兼容” 的双重要求。
现有商用 LED 的光谱覆盖依赖两种材料体系：纤锌矿结构的 InGaN 用于蓝绿光发射，AlInGaP 合金用于黄红光发射。这两种体系均存在不可忽视的固有缺陷：AlInGaP 基红光 LED 在器件尺寸微型化（降至微米级）时，会出现显著的效率衰减，这与 Micro-LED 的应用需求直接冲突；而纤锌矿 InGaN 材料虽然在微型化时效率衰减相对缓和，但其晶体结构中存在强烈的内部极化场，会引发量子限制斯塔克效应（QCSE）。这种效应导致电子与空穴在量子阱中空间分离，显著降低辐射复合效率，且铟含量越高（红光发射所需），QCSE 效应越明显，这使得传统纤锌矿 InGaN 在红光谱段的发光效率始终难以突破。
立方InGaN：红光发射的理想材料却受困于生长难题
为解决上述困境，学术界将目光投向了立方相 III 族氮化物半导体。与纤锌矿结构不同，立方 InGaN（闪锌矿结构）具有中心对称的晶体结构，在（001）晶向无内部极化场，从根本上避免了 QCSE 效应，为实现高效红光发射提供了结构基础。此外，立方 InGaN 还具备与纤锌矿材料相当的表面复合抗性，且所需铟含量更低（因闪锌矿相带隙更窄），有望在单一材料体系中实现全可见光谱覆盖，这对简化显示器件结构、降低制造成本具有重要意义。
尽管优势显著，但立方 InGaN 的亚稳态特性使其生长面临巨大挑战：其稳定生长窗口极窄，极易形成热力学更稳定的六方相夹杂，导致相纯度下降；同时，高铟含量下的生长均匀性差、表面形貌劣化等问题，进一步限制了其性能提升与实际应用。此前，全球仅有少数研究报道了红光发射的立方 InGaN 体层或量子阱结构，且普遍存在相纯度低、发光效率不足、稳定性差等问题，难以满足器件应用需求。因此，开发一种能够实现高相纯度、高结晶质量立方 InGaN 生长的创新技术，成为突破红光 Micro-LED 材料瓶颈的关键。
图1. (a) 传统生长与金属调制生长 InGaN/GaN 量子阱的快门时序示意图；(b) 基于通用缓冲层/衬底堆叠结构的样品结构示意图：体相InGaN层、InGaN/GaN 10周期多量子阱及单量子阱
MME技术的创新突破与实验设计
针对立方 InGaN 的生长难题，联合研究团队提出了MME生长方案，并与传统外延技术进行系统性对比。该方案基于等离子体辅助分子束外延系统，通过优化生长时序、衬底选择与工艺参数，实现了三种核心结构（体层、多量子阱MQW、单量子阱SQW）的高质量生长，且所有样品的铟含量均优化至28%-34%，以匹配红光发射需求。
核心生长体系与衬底设计
研究团队选用商用3C-SiC/Si伪衬底作为生长基底，其表面沉积了c-AlN缓冲层与c-GaN模板层。这种衬底结构的优势在于：3C-SiC与c-GaN的晶格失配度低，能够为c-InGaN的生长提供良好的晶体取向支撑；c-AlN缓冲层则有效抑制了六方相的形核，为立方相的稳定生长奠定基础。生长过程采用MBE系统，氮源由射频等离子体源提供。通过调节镓和铟两种金属的束流比例，精准控制样品的铟含量。生长温度根据样品类型优化以补偿量子限制与压应力导致的蓝移，确保红光发射。
MME与CG技术的关键差异：生长时序优化
两种生长技术的核心区别在于金属源的供应时序。传统外延技术在生长 InGaN 时，同时打开铟和镓的快门，两种金属原子同时到达衬底表面进行生长；而MME技术则采用 “交替供应” 策略：铟和镓的快门交替打开，确保两种金属原子不同时存在于生长表面。
这种时序优化的核心作用在于：避免了铟和镓原子在表面的竞争吸附与偏析，促进两种原子的均匀混合与有序排列，从而抑制六方相的形核与生长；同时，短暂的间歇期允许表面原子充分弛豫，减少缺陷形成，改善表面形貌。对于 MQW 结构，MME 技术通过精确控制阱层与垒层的生长时序，在保持立方相纯度的同时，实现了阱垒界面的清晰界定。
样品结构与表征体系
研究团队制备了六组样品，涵盖三种结构类型与两种生长技术的组合：c-InGaN体层、InGaN/GaN多量子阱、InGaN/GaN单量子阱。其中，多量子阱结构包含 10 个周期的阱垒对，阱宽12 nm、垒宽10 nm；SQW结构的阱宽12-15 nm、垒宽10-11 nm，具体参数通过扫描电子显微镜与X射线反射率测量验证，误差控制在2 nm以内。
为全面评估样品的结构与光学性能，研究团队采用了多维度表征技术：高分辨率 X 射线衍射：用于分析相纯度、铟含量与面外应变；原子力显微镜：表征表面形貌，计算均方根粗糙度；光致发光测量：采用激发源，分析发光波长、强度、半高宽及温度/功率依赖性；阴极发光测量：分析发光的空间分布的，研究多发射峰的来源。
图2. 传统与MME生长的体相InGaN样品的c-InGaN (002) 衍射峰附近的倒易空间图
基于MME技术实现结构与光学性能大幅提升
实验结果表明，与传统技术相比，MME技术在立方InGaN的结构质量、相稳定性与光学性能上实现了全方位突破，所有样品均展现出优异的红光发射特性，为Micro-LED应用提供了关键支撑。
结构性能：相纯度与表面形貌的革命性提升
相纯度是立方 InGaN 材料的核心指标，直接影响其光学性能与器件可靠性。分析结果显示，MME 技术能够完全抑制六方相夹杂：MME 生长的体层、MQW 与 SQW 样品的六方夹杂比例均为 0%，而传统方案生长的体层样品则存在 4% 的六方夹杂，MQW 样品的六方夹杂比例为 3%。此外，MME 样品的堆垛层错信号几乎消失，表明其晶体完整性显著优于对标的传统方案样品—— 这一突破解决了立方 InGaN 生长中最关键的相稳定性问题。
表面形貌方面，AFM 测量结果显示 MME 样品的粗糙度大幅降低：MME 体层样品的 RMS 粗糙度仅为 3.1 nm，而 CG 体层样品为 11.5 nm；MME MQW 样品的 RMS 粗糙度为 2.5 nm，CG MQW 样品为 9.0 nm；SQW 样品的改善更为显著，MME 样品的 RMS 粗糙度仅 1.4 nm，远低于 CG 样品的 2.5 nm。更低的表面粗糙度意味着更少的表面缺陷与非辐射复合中心，为提升发光效率奠定了结构基础。
面外应变分析表明，所有QW样品的应变均高于体层样品，这是由于量子阱结构的应变弛豫尚未充分发生。但 MME 技术能够有效调控应变分布，避免应变集中导致的缺陷形成，确保材料的结构稳定性 —— 即使在铟含量高达34%的情况下，MME 样品仍保持良好的结晶质量，未出现孔隙或 InN 析出等问题，突破了高铟含量立方 InGaN 的生长限制。
图3. (a) 所有六个样品的室温光致发光光谱；(b) 六个样品在325 nm和405 nm激发下的光致发光积分强度
光学性能：高效红光发射与优异的稳定性
红光发射特性与强度优势：所有六组样品均实现了620-689 nm的红光发射，与设计目标完全一致。光致发光光谱显示，体层样品的发光强度比 MQW 与 SQW 样品高出 1-2 个数量级，这主要源于三个因素：体层样品的量子限制效应较弱，载流子复合概率更高；体层样品的有效发光体积更大，提供了更多的发光中心；QW 结构的多层界面会引入额外的非辐射复合中心，降低发光效率。
在 QW 样品中，MME 生长的 MQW 与 SQW 样品展现出独特的多发射峰特性：主发射峰对应红光发射；高能峰对应黄绿光发射。分析表明，主发射峰在空间上均匀分布，源于量子阱或体区域的载流子辐射复合；而高能峰则集中在直径约 100 nm 的圆形区域，与 AFM 观察到的 “凹坑状缺陷” 位置完全吻合 —— 这些缺陷的侧壁量子阱厚度更薄、铟含量更低，导致发光蓝移。这一发现为优化器件结构、抑制高能峰干扰、提升红光光谱纯度提供了关键依据。
半高宽与光谱纯度：光致发光光谱的半高宽反映了材料的成分均匀性与结晶质量。作为参考的传统方案样品的半高宽在95-130 nm，与商用纤锌矿 InGaN 红光 LED 相当；而 MME MQW 与 SQW 样品的半高宽略宽，这主要是由于高能峰的存在导致光谱展宽，主发射峰的半高宽与传统方案样品相当，表明 MME 样品的成分均匀性并未下降。
图4. (a) MME生长的多量子阱样品在12 K下的阴极发光光谱；(b) 微阴极发光质心能量图；(c) 为沿 (b) 中指示箭头采集的阴极发光光谱；(d) 经光谱图双高斯拟合得到的、中心位于高能峰的阴极发光强度图；(e) 中心位于低能峰的阴极发光强度图；(f) 同一样品不同位置的原子力显微镜图像
温度依赖性：热稳定性是 LED 器件在实际应用中的关键指标，尤其是 Micro-LED 在高功率密度下的工作稳定性。温度依赖光致发光测量显示，所有样品在30-290 K范围内均展现出良好的热稳定性，其中 SQW 样品的表现最为优异：室温下仍能保持 30 K 时 25% 的光致发光强度，而传统方案样品仅能保持 7%。这种低热猝灭特性源于 MME 样品的高相纯度与低缺陷密度 —— 非辐射复合中心更少，且立方结构无 QCSE 效应，载流子在高温下仍能有效辐射复合。
进一步分析表明，所有样品的光致发光强度衰减在 150 K 左右出现斜率变化：低温区衰减较缓，源于缺陷辅助的非辐射复合；高温区衰减加快，体层样品主要归因于激子热解离，而 QW 样品则与载流子从 InGaN 阱层向 GaN 垒层的热逃逸有关。总体而言，MME 样品的热猝灭速率显著低于 CG 样品，表明其更适合在高温、高功率条件下工作。
功率依赖性：发射能量的稳定性直接反映材料是否存在 QCSE 效应。功率依赖光致发光测量显示，所有样品在激发功率从 43 W/cm² 到 2150 W/cm²范围内，发射能量几乎保持不变 —— 这一现象证实了立方 InGaN 无内部极化场的优势，不存在 QCSE 效应导致的发光蓝移。这种优异的功率稳定性意味着器件在不同亮度需求下，发射波长不会发生偏移，能够保证显示色彩的一致性，这对 Micro-LED 显示至关重要。
图5. (a) MME 生长的多量子阱样品在 30 K 下的归一化光致发光光谱；(b) 同一样品在 30 至 290 K 温度范围内的光致发光光谱
新方案为未来红光 Micro-LED 与全彩色显示提供支持
MME 技术制备的立方 InGaN 材料展现出的核心优势，精准匹配了下一代显示技术的需求：
高效红光发射：室温下 25% 的低温强度保持率，结合无 QCSE 效应的特性，确保器件在微型化后仍能保持高发光效率 —— 解决了 AlInGaP 材料微型化效率衰减的痛点；
全光谱覆盖潜力：立方 InGaN 所需铟含量更低，且 MME 技术能够稳定生长高铟含量样品，结合其无极化场的优势，有望在单一材料体系中实现蓝、绿、红全可见光谱发射，简化显示面板的结构设计；
结构稳定性：完全抑制的六方相夹杂与低粗糙度表面，确保了器件的长期可靠性与一致性，降低了大规模制造的良率风险；
工艺兼容性：MME 技术基于成熟的 PAMBE 系统，生长参数易于调控，与现有氮化物半导体制造工艺兼容，具备产业化推广的潜力。
