螺旋位错密度对AlN折射率影响：纳米应变场效应

摘要

氮化铝（AlN）折射率关键影响AlGaN基深紫外（DUV）光电器件性能，包括LED外量子效率（EQE）。高密度螺旋位错（TDDs）是AlN常见缺陷，但其对折射率定量影响鲜为人知。本研究通过退火后处理系统调控TDDs从4.24×10⁸至3.48×10⁹ cm⁻²，用光谱椭偏仪（SE）测量对应折射率。随TDD增加，280 nm处折射率从2.2508降至2.2102，证实位错降低AlN光学密度。螺旋与刃位错纳米应变场理论建模展示局域弹性变形如何扰动光弹性响应，导致折射率空间变化和光散射增强。这些发现为优化基于AlN衬底的DUV LED、激光二极管和DBR结构提供关键设计参数。

引言

AlN及其合金是DUV光电子学主力材料，提供3.4-6.2 eV可调直带隙。AlN折射率直接决定全反射角从而影响光提取效率（LEE），也支配分布式布拉格反射镜（DBR）反射率。因此任何折射率偏移因素均可能限制器件输出功率或光谱性能。温度、压力、带隙已知影响AlN光学常数，但普遍存在于外延AlN层的螺旋位错作用未被量化。鉴于典型TDDs为10⁸-10⁹ cm⁻²，建立其对折射率影响以指导生长优化和器件工程势在必行。

方法

高质量AlN模板经金属有机化学气相沉积（MOCVD）在c面蓝宝石上生长，使用三甲基铝和氨前驱体，40 mbar氢气流。两步生长制备1.1 µm AlN膜：955℃成核层、1280℃高温生长，中间插1050℃ AlN中间层。1500、1600、1700、1750℃退火后处理1 h制得TDDs递减样品。X射线衍射（XRD）摇摆曲线（XRCs）测(0002)和(10-12)面，经修正Hall-Petch方程提取螺旋和刃位错密度。光谱椭偏仪（SE）提供200-1000 nm复折射率。拉曼光谱跟踪AlN E₂(h)峰移评估残余应力。

结果与讨论

图1展示五样品(0002)和(10-12) XRCs。(10-12)面半高全宽（FWHM）从样品1到5显著下降，得TDDs跨度4.24×10⁸至3.48×10⁹ cm⁻²。SE拟合用CompleteEASE直接带隙半导体模型，均方误差<11，确证光学常数可靠。

折射率曲线（图2b）显示预期色散：6.2 eV带隙以下随光子能量升高，以上则降低。633 nm处随TDD降低折射率从2.019升至2.056，逼近体值2.15[27]。关键在于280 nm处，随TDD增加折射率从2.2508降至2.2102，呈清晰反比关系（图2c）。

为合理化此行为，我们用圆柱对称模拟单个螺旋或刃位错应变场。应变张量分量（式5-6）映射入光弹性张量（式3），得扰动Δ(1/n²)。计算显示螺旋和刃位错均在核心周围同心壳层局域降低折射率（图4），形成非均匀光学介质。光穿越这些扰动区时，散射和干涉重新分配光场，有效降低测得折射率。

潜在混杂因素——温度、残余应力、带隙——被系统排除。所有测量在室温。拉曼光谱（图5）显AlN E₂(h)峰随TDD减少微蓝移，指示蓝宝石衬底压应变；但此应变对折射率影响可忽略相比位错密度。带隙从(αE)² vs E图（图6）确定，随样品从6.1106微增至6.1536 eV，但预期折射率反比关联（式12）未观测到，强化TDD主导光学响应。