高效率大功率LED的材料外延和器件研制.pdf

1、GaN基大功率LED作為第四代電光源，具有體積小、低電壓、壽命長、效率高、節(jié)能等優(yōu)良特性，但目前還存在轉換效率低、光通量小、可靠性差等缺點。這主要是由藍寶石異質外延GaN晶格質量較差、GaN材料強烈的極化效應、p型GaN激活效率低等原因造成。本論文利用高分辨X光衍射(HRXRD)、光熒光(PL)與芯片測試等技術，設計并優(yōu)化了底層GaN、有源區(qū)和p型層等關鍵結構的生長工藝，有效地改善大功率LED的光電性能，主要結論如下:
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2、.PSS襯底外延GaN晶格質量的提升:研究了濕法制作圖形化藍寶石襯底，并在其上外延GaN和LED全結構。PL測量結果顯示PSS襯底上外延GaN的本征峰發(fā)光強度要明顯強于普通藍寶石襯底上生長的GaN的本征峰的強度;XRD掃描結果表明，PSS襯底上GaN樣品的晶體質量相對于普通藍寶石襯底上的GaN得到明顯提高。對PSS襯底上外延LED全結構的研究表明:相同規(guī)格的PSS襯底，無C面LED比有C面LED包燈光功率高，隨著PSS圖形深度增加，LE

3、D光功率增加，但深度增加到一定程度時，由于外延生長困難度的增加，晶體生長質量下降，反面會引起LED亮度的下降。另外，隨著PSS襯底圖案間距的減小及PSS襯底圖案尺寸的增大，LED光功率也會增加。
　　 2.有源區(qū)超晶格結構的生長與分析:研究了InGaN/GaN應力釋放層的生長和規(guī)律，發(fā)現隨著SLloop數的增加，亮度呈現先上升后下降的趨勢，是因為SL厚度較薄時緩沖作用占主導，繼續(xù)增加厚度時SL晶格質量變差占主導;研究了MQW的亮

4、度和電壓隨QB厚度的變化規(guī)律，發(fā)現隨著MQB的厚度增加，亮度也呈現先上升后下降的趨勢，是因為MQB厚度較薄時，壘對晶格質量的改善占主導作用，厚度繼續(xù)增加時，壘對空穴遷注入的抑制占主導作用;研究了采用p型AlGaN/InGaN超晶格對亮度和電壓的影響規(guī)律，發(fā)現隨著p-AlGaN/p-InGaNloop數增加，亮度呈先上升后下降的趨勢，是因為p-AlSL結構阻擋了躍遷進入p-GaN的電子，減少非輻射復合的作用占主導，loop數繼續(xù)增加時，p

5、-AlSL結構對空穴的阻擋作用占主導。
　　 3.p型接觸層的生長與分析:隨著高摻p型GaN(p++)厚度的增加，LED電壓先降低后升高，這是因為金半接觸會產生很高的勢壘，而高摻的p++層可以使勢壘區(qū)寬度變薄，從而增強隧穿效果以降低電壓。但是載流子隧穿幾率隨勢壘變寬而明顯下降，導致電壓升高;另一方面隨著Mg摻雜的提高，空穴濃度增加，電阻率減小，電壓降低。最后過高的Mg摻雜惡化了晶格質量，自補償效應顯著，空穴濃度變低，勢壘厚度變大

6、，載流子隧穿幾率變小，導致電壓升高;在p型InGaN接觸層，當InGaN接觸層由0.9nm加厚至2.3nm時，InGaN層提供的空穴濃度得到提升，有利于降低接觸電阻從而降低電壓，但是當InGaN層進一步加厚時，勢壘高度和寬度進一步增加，隧穿效應變弱，導致電壓逐漸升高。
　　 4.高效率大功率LED的設計與性能:根據上述各關鍵層生長條件優(yōu)化的結果，在優(yōu)化后的PSS襯底上外延GaN層，20周期的InGaN/GaN超晶格作為應力釋放層

7、和10周期的MQW有源區(qū)為發(fā)光層，6周期的p型AlGaN/InGaN超晶格作為電子阻擋層和200nm的p型GaN，接觸層包括p++GaN和p型InGaN層。制作的50mil*50mil大功率LED芯粒全測LOP均值在430mW左右，VF均值在3.1-3.3V之間分布。包白燈亮度在140-150lm，光效在130-135lm/W，色溫5000K，顯色指數70附近，色坐標數據正常，已經達到110lm/W的項目指標。結果得到700mA電流驅動