硅襯底氮化鎵基藍(lán)光LED發(fā)光特性研究.pdf

1、氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)以其發(fā)光效率高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已在普通照明應(yīng)用中推廣,而單晶硅是目前工藝最成熟,價(jià)格最便宜,能獲尺寸最大的半導(dǎo)體材料,因此在Si襯底上外延生長GaN薄膜已經(jīng)成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn),并逐步走向成熟。GaN基LED工作在較高的注入電流密度下時,發(fā)光的量子效率會隨著電流密度的增大而下降(droop效應(yīng)),如何解決droop效應(yīng),降低LED在普通照明應(yīng)用中的成本,已成為目前國內(nèi)、外亟待攻克的難關(guān)。本論文利

2、用MOCVD在Si襯底上制備GaN基LED樣品,主要在以下五個方面研究了LED的發(fā)光特性:
　　 1、研究了壓電極化對LED發(fā)光峰的影響。由在Si襯底生長的GaN基單阱和多阱藍(lán)光樣品發(fā)光的變溫電致發(fā)光(EL)譜顯示:在壓電極化不會被屏蔽的低電流密度注入下,LED的發(fā)光波長隨著工作溫度下降出現(xiàn)紅移,表明壓電極化對LED發(fā)光主波長的影響超過了量子阱的禁帶帶隙隨溫度下降而增大的影響幅度。結(jié)果還顯示單量子阱(單阱)LED阱中受到的壓電極

3、化強(qiáng)度比多量子阱(多阱)中的更大。
　　 2、droop效應(yīng)的主因不是俄歇復(fù)合而是載流子溢出。將樣品LED實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的曲線用ABC模型擬合后發(fā)現(xiàn),即使是俄歇復(fù)合系數(shù)取值比理論結(jié)果大幾個數(shù)量級,在高電流密度注入時,擬合結(jié)果曲線還是高于實(shí)驗(yàn)曲線,且差距隨注入電流密度的增大而變大,但實(shí)驗(yàn)曲線能與假定載流子泄漏為droop效應(yīng)的主因而擬合的曲線相吻合。
　　 3、研究了載流子填充與LED發(fā)光量子效率的關(guān)系。由不同溫度下單阱LE

4、D發(fā)光的內(nèi)量子效率與主波長注入電流密度的變化對比、多阱與單阱LED之間發(fā)光的量子效率和主波長隨注入電流密度變化的對比顯示:電子在阱中被填充在高能態(tài)后造成泄漏是載流子溢出的主要方式。
　　 4、以變溫EL光譜研究了載流子在LED量子阱中的分布不均衡對LED發(fā)光效率的影響,分析了低溫下droop效應(yīng)嚴(yán)重的原因。高質(zhì)量外延層的多量子阱LED變溫EL光譜結(jié)果顯示:溫度的降低會阻礙電流擴(kuò)展和降低空穴濃度,使電子在阱中局部區(qū)域的濃度很高,這

5、些區(qū)域中的電子由于填充效應(yīng)容易越過LED中的勢壘而溢出,從而使LED產(chǎn)生嚴(yán)重droop效應(yīng)。這些結(jié)果表明引起droop效應(yīng)關(guān)鍵是由于載流子在阱中的分布不均衡而溢出。
　　 5、研究了LED出射光譜的主要發(fā)光阱位置隨溫度、注入電流密度的變化而發(fā)生移動的現(xiàn)象。由不同位置壘中摻雜Si樣品發(fā)光主峰隨溫度下降、注入電流密度增大而發(fā)生變化的結(jié)果表明:在工作溫度較高且電流密度較小的條件下多阱LED的發(fā)光由較多個阱貢獻(xiàn),而隨著溫度的降低或注入電