硅襯底氮化鎵基黃光LED外延生長與器件性能研究.pdf

1、近年來,GaN基LED發展迅速,開啟了半導體照明的時代,使LED進入了人們的生活,被大眾所熟悉。然而,半導體照明的普及還有很長的路要走。目前白光照明都是基于藍光LED激發熒光粉模式,其效率較低、成本偏高且色品質不足。如果不用熒光粉,僅使用不同顏色的高效LED配色形成白光,發光效率將會有較大的提升空間,照明品質也會得到大幅改善。而實現配色白光照明的關鍵在于提高長波段LED的發光效率,特別是黃光LED的效率。本文選取在Si襯底上研發GaN基

2、黃光LED,目的是從最常規的方式入手,利用現有成熟的設備、源料和工藝,在目前藍光和綠光的基礎上探索新的器件結構和生長條件,用簡單易行的方法提高GaN基黃光LED的發光效率。
　　首先對黃光LED的生長工藝和外延結構進行了創新:利用AlN插入層改善GaN晶體質量,利用AlGaN漸變緩沖層調整GaN應力,通過升高溫度改善量子阱質量,引入應力準備層減小量子阱的應力,引入V型坑屏蔽位錯和釋放應力,優化生長條件降低C污染,成功地在Si襯底上

3、生長出GaN黃光LED外延材料。
　　對外延材料的各項性質進行了表征:測試了XRD搖擺曲線,計算了GaN中的位錯密度;使用TEM觀察了緩沖層、量子阱和V型坑的界面,分析了位錯與界面狀態的成因;測量了GaN的晶格常數和倒易空間mapping,研究了GaN與量子阱的應力狀態;測量并擬合了各外延層的厚度與組分。
　　研究了Si襯底上GaN基黃光LED的器件性能:室溫35A/cm2電流密度下,通350mA電流,器件的發光波長為566

4、nm,電壓為3.23V,光輸出功率為72mW,對應外量子效率高達9.4％,低電流密度下外量子效率最高達到22.2%,該結果優于文獻報道水平。對比了Si襯底藍、綠、黃三種波段LED的波長飄移,提出了量化計算壓電場屏蔽和能帶填充對波長飄移影響的方法,把波長隨電流密度飄移的主要原因歸結于壓電場屏蔽。研究了GaN基黃光LED變溫變電流EL光譜,觀察到低溫大電流下3個新的子發光峰,建立了空穴泄漏模型,將其分別歸結于V型坑側壁量子阱,藍光應力準備阱

5、、In0.04Ga0.96N/GaN超晶格等三個區域的發光。
　　研究了GaN基藍、綠、黃三種波段LED效率的三種droop特性,把效率隨電流密度droop的主要原因歸結于應力引起的壓電場;把效率隨溫度droop的主要原因歸結為缺陷引起的非輻射復合;把效率隨波長 droop的主要原因歸結為In組分升高引起的應力增大與缺陷增多。從能量轉換的角度解釋了LED的效率droop的原因,即載流子與環境的能量交換(吸收或釋放能量)會延長載流子

6、輻射復合壽命,降低發光效率。此外,還對比了AlGaInP與GaN基黃光LED的性能差異,觀察到前者發光效率與發光波長的溫度穩定性明顯不如后者,因此,GaN基取代AlGaInP基是黃光LED發展的必然趨勢。
　　本論文研究結果表明,Si襯底GaN基LED不但在藍、綠光范圍內具有很高的發光效率,而且在長波段范圍也具備很大的發展潛力。相信在在不久的將來,隨著技術的進步,GaN基黃光LED效率必定會得到大幅提升,使用高效LED配色實現白光