GaN作為第三代半導(dǎo)體材料,具有寬能帶間隙、高電子遷移率以及高導(dǎo)熱性等優(yōu)異特性,基于GaN材料的藍(lán)光LED引領(lǐng)了半導(dǎo)體照明技術(shù)的第三代革命。LED未來(lái)的發(fā)展方向是低成本、大功率和高性能。Si襯底具備成熟的制造工藝、低廉的制備成本和大尺寸襯底易獲得和導(dǎo)熱率高等優(yōu)點(diǎn),在大尺寸襯底上的LED外延方面具有巨大優(yōu)勢(shì),特別適合制造大功率、低成本的GaN基LED。迄今,Si襯底上的LED制備技術(shù)已經(jīng)取得重大的突破,但依然在外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)理研究等方面存在一系列的基礎(chǔ)問(wèn)題,制約著Si襯底上大功率GaN基LED性能的提升。如何設(shè)計(jì)新型的LED外延結(jié)構(gòu),抑制大電流下的Efficiency droop現(xiàn)象是Si襯底上大功率LED的重點(diǎn)研究方向。為此,本論文圍繞Si襯底上大功率GaN基LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及芯片制備展開(kāi)研究,取得的主要成果如下:首先,建立了 Si襯底上GaN基LED的理論計(jì)算模型并寫(xiě)入應(yīng)力狀態(tài)。利用該模型研究了外延層整體的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)LED光電物理過(guò)程的影響,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大n-GaN層的張應(yīng)力有利于減小異質(zhì)界面處的極化電荷密度,使得量子阱區(qū)域的傾斜能帶變得平坦,有利于削弱量子阱內(nèi)的量子限制Stark效應(yīng)(QCSE),增加載流子的注入和輻射復(fù)合系數(shù)。進(jìn)一步地,將模擬結(jié)果用于指導(dǎo)實(shí)際的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)設(shè)計(jì)底部緩沖層的結(jié)構(gòu)將Si襯底上的GaN基外延材料調(diào)控為張應(yīng)力狀態(tài),使得LED的正向電壓減小了0.07 V,實(shí)際光輸出功率提升了21.96%,驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性并為后續(xù)采用更進(jìn)一步的應(yīng)力調(diào)控手段提供了理論基礎(chǔ)。其次,利用Si襯底上的GaN基LED的理論計(jì)算模型研究了 InGaN量子壘的In組分對(duì)載流子輸運(yùn)的影響。發(fā)現(xiàn)在GaN量子壘中摻入合適組分的In原子讓量子壘的能帶間隙降低,使得量子壘能帶整體的勢(shì)壘減小,有利于電子和空穴向量子阱的注入,量子阱內(nèi)的載流子濃度可提升約32%。為了進(jìn)一步釋放量子阱內(nèi)的壓應(yīng)力,通過(guò)低溫生長(zhǎng)InGaN壘層獲得了弛豫型的多量子阱,闡述了InGaN量子壘進(jìn)行降溫生長(zhǎng)能夠促進(jìn)量子阱發(fā)生弛豫的機(jī)理,并且通過(guò)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)了量子阱弛豫度的控制,協(xié)調(diào)了 QCSE削弱與晶體質(zhì)量變差的關(guān)系,使得LED的光電性能得到改善,提升幅度達(dá)19.69%。再次,采用了 AlInGaN EBL替代傳統(tǒng)的AlGaNEBL并且以理論計(jì)算和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式系統(tǒng)研究了 EBL的In組分對(duì)載流子向量子阱中注入過(guò)程的影響,得到了合適的In組分區(qū)間,大幅度抑制了 EBL處的極化電場(chǎng),使得EBL的能帶變得平坦,在不減弱電子限制能力的前提下提高了空穴注入率。同時(shí),還設(shè)計(jì)了 p-GaN/InGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu),研究了異質(zhì)結(jié)在導(dǎo)帶和價(jià)帶上的能帶不連續(xù)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)在價(jià)帶上形成的勢(shì)阱有聚集空穴的效應(yīng),提高了異質(zhì)結(jié)到EBL之間的區(qū)域的平均空穴濃度,有利于加強(qiáng)空穴向量子阱的注入。由于空穴注入的加強(qiáng),量子阱中電子與空穴濃度不匹配的現(xiàn)象得以緩解,降低了電子發(fā)生泄露的幾率,有利于抑制Efficiencyd roop現(xiàn)象。最后,將Si襯底上的LED外延片制備成尺寸為1 mm×1mm的大功率垂直結(jié)構(gòu)LED芯片。制備的具有優(yōu)化外延結(jié)構(gòu)的Si襯底上垂直結(jié)構(gòu)LED芯片在70A/cm2電流密度下的運(yùn)行電壓為2.97 V,相比具有普通外延結(jié)構(gòu)的Si襯底上垂直LED芯片LED減小了0.49 V。而在70 A/cm2的電流下的光輸出功率為988.70 mW,提升超過(guò)35%,這證明了外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)LED光電性能的顯著提升。更為重要地,在70A/cm2的電流密度下,具有優(yōu)化的外延結(jié)構(gòu)的LED垂直芯片與未經(jīng)優(yōu)化的LED垂直芯片的光電轉(zhuǎn)換效率分別為47.5%和30.0%,其對(duì)應(yīng)的droop值分別為33.7%和43.3%,證明對(duì)Si襯底上的GaN基LED的一系列外延結(jié)構(gòu)能夠提高大電流密度下的發(fā)光效率,削弱Efficiency droop效應(yīng),適用于大功率的LED芯片。本論文提出了“整體+局部”的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,通過(guò)對(duì)底部緩沖層、含InGaN壘的弛豫型量子阱、AlInGaN四元合金EBL和p-GaN/InGaN異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子阱區(qū)域壓應(yīng)力的釋放,增強(qiáng)了量子阱內(nèi)的載流子注入和輻射復(fù)合,最終制備出了具有優(yōu)異性能的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片,為Si襯底上高質(zhì)量Ⅲ族氮化物材料外延生長(zhǎng)及器件制備提供了重要的指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM923.34
【部分圖文】：

ａＮ基ＬＥＤ的基本外延結(jié)構(gòu)??燈具或燈珠的心臟，也就是能夠發(fā)光的核心部分，是一塊尺寸很小的片粘附在一個(gè)起到支撐作用的支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源用樹(shù)脂封裝。ＬＥＤ芯片由ＬＥＤ外延片切割而得到。目前，ＬＥＤ基了襯底、ｎ型摻雜層、有源層（多量子阱）、電子阻擋層和ｐ型摻雜層。??稱基板，即是用于外延層生長(zhǎng)的基板。外延生長(zhǎng)，是指在單晶襯底與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來(lái)的晶體向外延伸了一段。襯底的兩個(gè)方面。其一，襯底起晶體模板的作用。在ＬＥＤ外延生長(zhǎng)中（以ＧａＮ要外延生長(zhǎng)ＧａＮ層，從結(jié)晶學(xué)角度出發(fā)，ＧａＮ的外延生長(zhǎng)需要與其模板，使ＧａＮ能夠按照纖鋅礦或閃鋅礦的晶格進(jìn)行生長(zhǎng)。其二，襯

度不均勻［７２］。這部分載流子的損失稱為外部損失。??以上因素涉及到ＬＥＤ中載流子輸運(yùn)和有源區(qū)內(nèi)載流子復(fù)合兩大過(guò)程，相關(guān)的聯(lián)系可??參照?qǐng)D１－３。綜合考慮以上因素，ＩＱＥ可以表達(dá)為：??ＩＱＥ＝???￣￣?ｊ?７??Ａｎ?＋?Ｂｎ２?＋?Ｃｗ３?＋?ｋ｛ｎ?—?）ｍ?＋?ｙ??（ｉ－４）??其中，兒５和Ｃ分別是ＳＲＨ復(fù)合、輻射復(fù)合和俄歇復(fù)合系數(shù)，心是載流子泄露電流，??是量子阱區(qū)域的有效體積。則表示載流子區(qū)域化而產(chǎn)生相關(guān)載流子的損失。??？〇是載流子去局域化發(fā)生的載流子濃度閾值而ｍ是不同程度的載流子區(qū)域化的階數(shù)。??通過(guò)公式（１－４），造成Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｒｏｏｐ的各種機(jī)制及相互之間的關(guān)系被厘清，可以用??作評(píng)價(jià)Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ?ｄｒｏｏｐ行為的理論模擬的基本公式。??１４??

Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ?（Ａｃｍ＊２）??圖１－５壘層厚度為１２ｎｍ、３ｎｍ的ＬＥＤ的歸一化ＥＬ強(qiáng)度和外量子效率［９１］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ?ＥＬ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?ａｎｄ?ｒｅｌａｔｉｖｅ?ＥＱＥ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＬＥＤ?ｗｉｔｈ?ｂａｉｒｒｅｒｓ?ｏｆ?１２ｎｍ?ａｎｄ??３ｎｍ?ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ??（３）減小極化強(qiáng)度??ｃ面纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ＧａＮ基外延材料中存在著強(qiáng)烈的極化效應(yīng)，會(huì)引入顯著的極化電??場(chǎng)［９２＿９５］。由于極化電場(chǎng)的存在，ＬＥＤ的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生彎曲，因而載流子的輸運(yùn)過(guò)程會(huì)??發(fā)生改變，特別地，電子泄露會(huì)變得更加容易。Ｌｉｎｇ等人在生長(zhǎng)了具有不同極性的ＧａＮ??基ＬＥＤ用以探宄極化電場(chǎng)對(duì)ＬＥＤ性能的影響。他們準(zhǔn)備了兩種極性的樣品，分別是ｃ??面藍(lán)寶石、ｍ面的ＧａＮ襯底上的具有六個(gè)周期的多量子阱ＬＥＤ［９６］。圖ｌ－６（ａ）為加載了??正向工作電流條件下，兩個(gè)ＬＥＤ樣品的能帶圖。結(jié)果顯示，ｃ面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的??ＬＥＤ樣品的能帶發(fā)生了明顯的彎曲，ｎ摻雜區(qū)域的能帶相比于ｐ摻雜區(qū)域的能帶上翹，??使得靠近ｎ摻雜區(qū)域的量子阱的能帶比靠近ｐ摻雜區(qū)域的量子阱的能帶還高，這說(shuō)明在??電子會(huì)集中分布在靠近ｐ摻雜區(qū)域的數(shù)個(gè)量子阱層中
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本文編號(hào)：2847166