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硅衬底氮化镓基黄光LED外延生长与器件性能研究

张建立  
【摘要】:近年来, GaN基LED发展迅速,开启了半导体照明的时代,使LED进入了人们的生活,被大众所熟悉。然而,半导体照明的普及还有很长的路要走。目前白光照明都是基于蓝光LED激发荧光粉模式,其效率较低、成本偏高且色品质不足。如果不用荧光粉,仅使用不同颜色的高效LED配色形成白光,发光效率将会有较大的提升空间,照明品质也会得到大幅改善。而实现配色白光照明的关键在于提高长波段LED的发光效率,特别是黄光LED的效率。本文选取在Si衬底上研发GaN基黄光LED,目的是从最常规的方式入手,利用现有成熟的设备、源料和工艺,在目前蓝光和绿光的基础上探索新的器件结构和生长条件,用简单易行的方法提高GaN基黄光LED的发光效率。 首先对黄光LED的生长工艺和外延结构进行了创新:利用AlN插入层改善GaN晶体质量,利用AlGaN渐变缓冲层调整GaN应力,通过升高温度改善量子阱质量,引入应力准备层减小量子阱的应力,引入V型坑屏蔽位错和释放应力,优化生长条件降低C污染,成功地在Si衬底上生长出GaN黄光LED外延材料。 对外延材料的各项性质进行了表征:测试了XRD摇摆曲线,计算了GaN中的位错密度;使用TEM观察了缓冲层、量子阱和V型坑的界面,分析了位错与界面状态的成因;测量了GaN的晶格常数和倒易空间mapping,研究了GaN与量子阱的应力状态;测量并拟合了各外延层的厚度与组分。 研究了Si衬底上GaN基黄光LED的器件性能:室温35A/cm2电流密度下,通350mA电流,器件的发光波长为566nm,电压为3.23V,光输出功率为72mW,对应外量子效率高达9.4%,低电流密度下外量子效率最高达到22.2%,该结果优于文献报道水平。对比了Si衬底蓝、绿、黄三种波段LED的波长飘移,提出了量化计算压电场屏蔽和能带填充对波长飘移影响的方法,把波长随电流密度飘移的主要原因归结于压电场屏蔽。研究了GaN基黄光LED变温变电流EL光谱,观察到低温大电流下3个新的子发光峰,建立了空穴泄漏模型,将其分别归结于V型坑侧壁量子阱,蓝光应力准备阱、In0.04Ga0.96N/GaN超晶格等三个区域的发光。 研究了GaN基蓝、绿、黄三种波段LED效率的三种droop特性,把效率随电流密度droop的主要原因归结于应力引起的压电场;把效率随温度droop的主要原因归结为缺陷引起的非辐射复合;把效率随波长droop的主要原因归结为In组分升高引起的应力增大与缺陷增多。从能量转换的角度解释了LED的效率droop的原因,即载流子与环境的能量交换(吸收或释放能量)会延长载流子辐射复合寿命,降低发光效率。此外,还对比了AlGaInP与GaN基黄光LED的性能差异,观察到前者发光效率与发光波长的温度稳定性明显不如后者,因此,GaN基取代AlGaInP基是黄光LED发展的必然趋势。 本论文研究结果表明,Si衬底GaN基LED不但在蓝、绿光范围内具有很高的发光效率,而且在长波段范围也具备很大的发展潜力。相信在在不久的将来,随着技术的进步,GaN基黄光LED效率必定会得到大幅提升,使用高效LED配色实现白光照明将成为现实。


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