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(fā)展迅速,開啟了半導(dǎo)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(dǎo)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(fā)熒光粉模式,其效率較低、成本偏高且色品質(zhì)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(fā)光效率將會有較大的提升空間,照明品質(zhì)也會得到大幅改善。而實現(xiàn)配色白光照明的關(guān)鍵在于提高長波段LED的發(fā)光效率,特別是黃光LED的效率。本文選取在Si襯底上研發(fā)GaN基

2、黃光LED,目的是從最常規(guī)的方式入手,利用現(xiàn)有成熟的設(shè)備、源料和工藝,在目前藍光和綠光的基礎(chǔ)上探索新的器件結(jié)構(gòu)和生長條件,用簡單易行的方法提高GaN基黃光LED的發(fā)光效率。
　　首先對黃光LED的生長工藝和外延結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新:利用AlN插入層改善GaN晶體質(zhì)量,利用AlGaN漸變緩沖層調(diào)整GaN應(yīng)力,通過升高溫度改善量子阱質(zhì)量,引入應(yīng)力準(zhǔn)備層減小量子阱的應(yīng)力,引入V型坑屏蔽位錯和釋放應(yīng)力,優(yōu)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(zhì)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(tài)的成因;測量了GaN的晶格常數(shù)和倒易空間mapping,研究了GaN與量子阱的應(yīng)力狀態(tài);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(fā)光波長為566

4、nm,電壓為3.23V,光輸出功率為72mW,對應(yīng)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(jié)果優(yōu)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(jié)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(fā)光峰,建立了空穴泄漏模型,將其分別歸結(jié)于V型坑側(cè)壁量子阱,藍光應(yīng)力準(zhǔn)備阱

5、、In0.04Ga0.96N/GaN超晶格等三個區(qū)域的發(fā)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(jié)于應(yīng)力引起的壓電場;把效率隨溫度droop的主要原因歸結(jié)為缺陷引起的非輻射復(fù)合;把效率隨波長 droop的主要原因歸結(jié)為In組分升高引起的應(yīng)力增大與缺陷增多。從能量轉(zhuǎn)換的角度解釋了LED的效率droop的原因,即載流子與環(huán)境的能量交換(吸收或釋放能量)會延長載流子

6、輻射復(fù)合壽命,降低發(fā)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(fā)光效率與發(fā)光波長的溫度穩(wěn)定性明顯不如后者,因此,GaN基取代AlGaInP基是黃光LED發(fā)展的必然趨勢。
　　本論文研究結(jié)果表明,Si襯底GaN基LED不但在藍、綠光范圍內(nèi)具有很高的發(fā)光效率,而且在長波段范圍也具備很大的發(fā)展?jié)摿?。相信在在不久的將?隨著技術(shù)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(xiàn)白光