InGaN-GaN量子阱LED光電特性及輻照特性研究.pdf

1、光電二極管（LED）具有壽命長(zhǎng)、效率高、體積小、節(jié)能環(huán)保、固態(tài)發(fā)光、應(yīng)用靈活、響應(yīng)時(shí)間短、抗輻照等優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為新一代照明光源，目前在顯示屏、背光源、景觀照明等民用行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，作為光源開始向固態(tài)照明市場(chǎng)滲透，在衛(wèi)星、航天飛船、導(dǎo)彈等軍事和太空領(lǐng)域中的應(yīng)用也備受矚目。然而要完全取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈成為真正意義上的新一代照明器件，擴(kuò)大其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，LED仍然面臨著諸多問(wèn)題。首先，量子阱和勢(shì)壘之間存在晶格失配和熱失配，缺陷

2、密度高，量子阱內(nèi)產(chǎn)生自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，在界面上產(chǎn)生極化電荷，導(dǎo)致量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE），影響LED光電特性，但I(xiàn)nGaN/GaN量子阱表現(xiàn)出比傳統(tǒng)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料更高的發(fā)光效率，其發(fā)光機(jī)理和內(nèi)部的載流子動(dòng)力學(xué)尚未完全明確；其次，藍(lán)光LED芯片存在效率崩塌（Efficiency Droop）效應(yīng)，即大電流密度條件下發(fā)光二極管外量子效率隨電流密度的增加而下降，這降低了LED在大功率電流密度下的能量利用率，同時(shí)產(chǎn)生了大量熱量，

3、增加散熱難度，惡化LED光電特性，縮短LED使用壽命，阻礙LED在固態(tài)照明等領(lǐng)域的應(yīng)用；最后，在航空航天這些強(qiáng)輻射場(chǎng)環(huán)境中, LED不可避免的會(huì)受到來(lái)自宇宙射線、太陽(yáng)等離子氣以及各種射線的輻照，輻照對(duì)樣品的光電特性造成影響。本文對(duì)InGaN/GaN多量子阱LED光電特性和輻照特性進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容概括為以下幾個(gè)方面：
　　1、開展InGaN/GaN多量子阱LEDγ射線輻照特性研究，了解LED輻照后光致發(fā)光（PL）峰位紅移物理機(jī)制

4、。高于20 Mrad Co-60γ射線輻射輻照后LED光致發(fā)光（PL）譜強(qiáng)度減弱，峰位紅移（~54 meV）。通過(guò)表征X射線衍射（XRD）、時(shí)間分辨光致發(fā)光（TRPL）、變溫PL和光調(diào)制反射（PR）譜和輻照前后LED峰位處CL單色圖，得到如下結(jié)論：20 Mrad以上γ射線輻照后LED的峰位紅移主要來(lái)源于輻照后InGaN量子阱中In組分變化的增加。
　　2、比較InGaN/GaN量子阱LED不同穿透深度PL和CL，我們發(fā)現(xiàn)隨著穿透深

5、度的增加，LED發(fā)光在低波長(zhǎng)處出現(xiàn)新峰，PL雙峰的出現(xiàn)歸結(jié)為應(yīng)力的弛豫導(dǎo)致的pulling effects，即在生長(zhǎng)方向上隨著應(yīng)力釋放度的增加，更容易生長(zhǎng)高In組分InGaN，而且量子阱表面應(yīng)力已經(jīng)接近或者完全弛豫。
　　3、通過(guò)比較405 nm、457.8 nm和465.7 nm激光激發(fā)的變溫PL來(lái)分析LED中載流子動(dòng)力學(xué)，了解載流子分布和輸運(yùn)等相關(guān)過(guò)程。提出的載流子微觀模型很好的解釋了不同激發(fā)波長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱LE

6、D PL發(fā)光峰，發(fā)光強(qiáng)度，半高寬隨溫度的變化特性。InGaN/GaN量子阱LED低溫時(shí)PL峰能隨溫度的增加而紅移的現(xiàn)象來(lái)源于溫度升高時(shí)弱束縛載流子獲得能量向高In組分深束縛能級(jí)中轉(zhuǎn)移。低溫時(shí)，載流子被能量低谷的In團(tuán)簇捕獲束縛然后發(fā)光，溫度增加時(shí)（<60 K），弱束縛載流子獲得能量，在In團(tuán)簇之間輸運(yùn)，轉(zhuǎn)移到高In組分深束縛能級(jí)中，PL峰位表現(xiàn)紅移，半高寬變窄。不同波長(zhǎng)激光激發(fā)的PL在低溫時(shí)峰位紅移量不同跟激發(fā)的載流子占據(jù)能級(jí)和躍遷能級(jí)

7、差有關(guān)。
　　4、發(fā)明一種新型有效降低LED器件效率坍塌效應(yīng)的方法：通過(guò)調(diào)控γ射線輻照劑量，在對(duì)應(yīng)大電流工作發(fā)光強(qiáng)度幾乎不變的情況下，有效降低LED效率崩塌效應(yīng)。其機(jī)理為輻照后缺陷密度增加，惡化LED性能，但輻照后局域In組分起伏度的增加提高了In團(tuán)簇對(duì)載流子的束縛能力，減弱了大電流工作時(shí)載流子去局域效應(yīng)，降低了效率崩塌效應(yīng)，提高 LED性能，兩者相互作用，在某一輻照劑量下可改善效率崩塌效應(yīng)，同時(shí)不降低發(fā)光強(qiáng)度。本文中100 Mr