3. GaN基MicroLED外延结构设计

GaN基MicroLED的发光效率、波长均匀性与工作电压，几乎全部由外延层的纵向结构决定。典型结构从下到上依次为：缓冲层/成核层、n-GaN电流扩展层、InGaN/GaN多量子阱有源区、AlGaN电子阻挡层（EBL）、p-GaN空穴注入层与p-GaN接触层。本节聚焦其中四层——n-GaN、多量子阱、电子阻挡层、p-GaN——讲清各自承担的电学与光学功能，以及在MOCVD实际生长中如何通过厚度、掺杂与组分来优化。

n-GaN：电流扩展与位错过滤的双重角色

n-GaN位于有源区下方，是电子注入的“高速公路”。它的核心指标有两个：一是电子浓度，二是晶体质量。电子浓度由Si掺杂控制，典型载流子浓度在2×1018～5×1018 cm-3。浓度过低会使串联电阻升高、工作电压上升；过高则会在n-GaN内部形成大量点缺陷，反而降低电子迁移率，并可能向有源区扩散形成非辐射复合中心。

厚度方面，n-GaN通常设计为2～4 μm。这一厚度并非随意选取：一方面，足够的厚度可以让穿透位错在生长过程中发生倾斜与湮灭，使到达有源区的位错密度从109 cm-2量级降至108 cm-2量级；另一方面，过厚的n-GaN会加剧晶圆翘曲，对MicroLED小尺寸芯片的光刻对准不利。实际生长中常采用“低温成核层+高温n-GaN”的两步法，并在n-GaN中插入少量InGaN或AlGaN应变层来调控应力。

InGaN/GaN多量子阱：决定波长的核心有源区

多量子阱是电子与空穴辐射复合发光的地方，其结构参数直接决定发光波长与内量子效率。阱层为InGaN，垒层为GaN，周期数通常为5～10对。阱宽一般控制在2～3 nm，垒宽为8～12 nm。阱宽过大会使载流子波函数空间分离，降低复合概率；阱宽过小则量子限制效应过强，且In组分难以稳定掺入。

发光波长由In组分决定：In组分约0.15时对应蓝光（约450 nm），0.25时对应绿光（约520 nm）。但In组分升高会带来两个问题：一是InGaN与GaN之间的晶格失配增大，产生强压应变，引发量子限制斯塔克效应（QCSE），使发光峰红移且复合效率下降；二是In原子容易偏析形成富In团簇，造成波长不均匀。因此绿光MicroLED的效率通常明显低于蓝光，这也是“绿光鸿沟”的根源。

优化手段包括：在阱层生长时降低温度（约700～750 ℃）以促进In掺入，同时提高V/III比抑制In脱附；在垒层中掺入少量Al形成AlGaN垒，增强对电子的限制；或采用渐变In组分阱结构，缓解应变积累。对于MicroLED，由于芯片尺寸缩小到10 μm以下，侧壁面积占比增大，表面非辐射复合更严重，因此量子阱周期数不宜过多，通常取5对左右，以缩短载流子到达阱区的路径。

GaN基MicroLED外延结构纵向剖面与载流子输运 p-GaN 接触层 100～200 nm, Mg: 1×10²⁰ cm⁻³ p-GaN 空穴注入层 200～500 nm, Mg: 2×10¹⁹ cm⁻³ AlGaN 电子阻挡层 15～25 nm, Al: 0.15～0.20 InGaN/GaN 多量子阱 GaN 垒 8～12 nm InGaN 阱 2～3 nm GaN 垒 8～12 nm InGaN 阱 2～3 nm GaN 垒 8～12 nm 周期数 5～10 对 n-GaN 电流扩展层 2～4 μm, Si: 2～5×10¹⁸ cm⁻³ 位错密度 10⁸～10⁹ cm⁻² 蓝宝石 / Si 衬底 + 缓冲层 能带与载流子输运 EC EV 电子注入 空穴注入 hν 辐射复合 电子阻挡 关键关系：阱宽↓ → 量子限制↑、波长蓝移；In组分↑ → 波长红移、QCSE增强 EBL Al组分↑ → 电子阻挡↑，但空穴注入势垒也↑，需折中

AlGaN电子阻挡层：堵住电子、放行空穴的“单向阀”

由于电子的迁移率远高于空穴（约一个数量级），在量子阱中电子很容易越过有源区进入p-GaN，形成漏电流而不参与发光。电子阻挡层的作用就是在有源区与p-GaN之间建立一个导带势垒，把电子“挡”回阱区。材料通常选用AlGaN，Al组分在0.15～0.20之间，厚度15～25 nm。

EBL的设计存在一个经典矛盾：Al组分越高，导带势垒越大，对电子的阻挡越强；但价带偏移也随之增大，空穴注入需要翻越的势垒更高，导致空穴注入效率下降、工作电压升高。因此EBL不能一味加厚或提高Al组分。实际优化中常采用组分渐变EBL——靠近有源区一侧Al组分较低（约0.10），靠近p-GaN一侧较高（约0.20），这样既保证电子阻挡效果，又为空穴提供渐变的注入通道。此外，EBL中可掺入少量Mg（约1×1018 cm-3），以改善其导电性，避免EBL本身成为高阻层。

p-GaN：空穴供给与接触电阻的平衡

p-GaN由Mg掺杂实现，但Mg在GaN中的离化能高达约170 meV，室温下离化率通常只有1%～3%。这意味着即使Mg掺杂浓度达到1×1020 cm-3，实际空穴浓度也仅约1×1018 cm-3。因此p-GaN的设计重点不是“掺多少Mg”，而是“如何让Mg有效激活并形成低阻接触”。

典型p-GaN分为两层：靠近EBL的注入层（约200～500 nm，Mg浓度2×1019 cm-3）和顶部的接触层（约100～200 nm，Mg浓度1×1020 cm-3）。接触层高掺是为了降低与透明导电层（如ITO）的接触电阻；注入层适度掺杂则是为了减少Mg向有源区的扩散。生长后需要进行退火激活，典型条件为700～800 ℃、N2气氛、20～30 min，使Mg从Mg-H络合物中脱氢激活。退火温度过低则激活不足，过高则InGaN阱层可能发生In析出，因此温度窗口很窄。

MicroLED尺寸效应提醒：当芯片尺寸从常规LED的300 μm缩小到10 μm以下时，侧壁面积与体积之比急剧增大，侧壁悬挂键引起的非辐射复合成为效率主导因素。此时外延设计应适当减薄p-GaN和n-GaN，缩短载流子横向扩散距离，同时量子阱周期数不宜过多，以降低载流子被侧壁俘获的概率。

厚度与参数的协同优化思路

四层结构并非独立可调，而是相互制约。n-GaN过厚会增加串联电阻和翘曲，过薄则位错过滤不足；量子阱阱宽增大可降低载流子密度、减弱Auger复合，但会加剧QCSE；EBL加厚可减少电子泄漏，但增加空穴注入势垒；p-GaN过厚会增加空穴输运路径和光吸收，过薄则接触电阻和电流扩展变差。

实际优化通常以“波长—效率—电压”三者为目标，采用正交实验或响应面法调整关键参数。例如固定In组分和阱宽先锁定波长，再扫描EBL的Al组分与厚度，观察光输出功率与正向电压的变化；最后调整p-GaN退火条件，使接触电阻与空穴浓度达到平衡。对于蓝光MicroLED，一个可参考的起始结构为：n-GaN 3 μm（Si: 3×1018 cm-3）、5对In0.15Ga0.85N/GaN（阱2.5 nm/垒10 nm）、Al0.18Ga0.82N EBL 20 nm、p-GaN 300 nm（Mg: 2×1019 cm-3）+ 接触层100 nm（Mg: 1×1020 cm-3），退火750 ℃/25 min。该结构可作为后续工艺调试的起点，再根据实际PL波长和EL效率进行微调。

常见误区：把EBL简单理解为“越厚越好”。实际上EBL超过30 nm后，空穴注入势垒的负面影响会超过电子阻挡的收益，表现为工作电压明显上升而光功率不再增加。判断依据是：在相同电流密度下，若正向电压上升超过0.3 V而光输出功率增幅低于5%，说明EBL已过厚或Al组分过高。

综上，GaN基MicroLED外延结构设计的核心在于理解每一层的电学与光学角色，并在厚度、掺杂、组分三个维度上寻找折中。n-GaN管“电子供给与晶体质量”，量子阱管“发光波长与复合效率”，EBL管“电子泄漏与空穴注入的平衡”，p-GaN管“空穴供给与接触”。四者协同，才能在小尺寸芯片上同时获得高效率和低电压。

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