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材料的藍光LED引領(lǐng)了半導(dǎo)體照明技術(shù)的第三代革命。LED未來的發(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,在大尺寸襯底上的LED外延方面具有巨大優(yōu)勢,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、機理研究等方面存在一系列的基礎(chǔ)問題,制約著Si襯底上大功率GaN基LED性能的提升。如何設(shè)計新型的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)計以及芯片制備展開研究,取得的主要成果如下:首先,建立了 Si襯底上GaN基LED的理論計算模型并寫入應(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LED光電物理過程的影響,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)。進一步地,將模擬結(jié)果用于指導(dǎo)實際的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過設(shè)計底部緩沖層的結(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,實際光輸出功率提升了21.96%,驗證了模擬的準確性并為后續(xù)采用更進一步的應(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的理論計算模型研究了 InGaN量子壘的In組分對載流子輸運的影響。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%。為了進一步釋放量子阱內(nèi)的壓應(yīng)力,通過低溫生長InGaN壘層獲得了弛豫型的多量子阱,闡述了InGaN量子壘進行降溫生長能夠促進量子阱發(fā)生弛豫的機理,并且通過實際的實驗生長實現(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19.69%。再次,采用了 AlInGaN EBL替代傳統(tǒng)的AlGaNEBL并且以理論計算和實際實驗相結(jié)合的方式系統(tǒng)研究了 EBL的In組分對載流子向量子阱中注入過程的影響,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,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,還設(shè)計了 p-GaN/InGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu),研究了異質(zhì)結(jié)在導(dǎo)帶和價帶上的能帶不連續(xù)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)在價帶上形成的勢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,有利于加強空穴向量子阱的注入。由于空穴注入的加強,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35%,這證明了外延結(jié)構(gòu)設(shè)計對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%,其對應(yīng)的droop值分別為33.7%和43.3%,證明對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)計方法,通過對底部緩沖層、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,成功實現(xiàn)了對量子阱區(qū)域壓應(yīng)力的釋放,增強了量子阱內(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起到支撐作用的支架上，一端是負極，另一端連接電源用樹脂封裝。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的基板。外延生長，是指在單晶襯底與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段。襯底的兩個方面。其一，襯底起晶體模板的作用。在ＬＥＤ外延生長中（以ＧａＮ要外延生長ＧａＮ層，從結(jié)晶學(xué)角度出發(fā)，ＧａＮ的外延生長需要與其模板，使ＧａＮ能夠按照纖鋅礦或閃鋅礦的晶格進行生長。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中載流子輸運和有源區(qū)內(nèi)載流子復(fù)合兩大過程，相關(guān)的聯(lián)系可??參照圖１－３。綜合考慮以上因素，ＩＱＥ可以表達為：??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)。??通過公式（１－４），造成Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｒｏｏｐ的各種機制及相互之間的關(guān)系被厘清，可以用??作評價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）減小極化強度??ｃ面纖鋅礦結(jié)構(gòu)的ＧａＮ基外延材料中存在著強烈的極化效應(yīng)，會引入顯著的極化電??場［９２＿９５］。由于極化電場的存在，ＬＥＤ的能帶結(jié)構(gòu)會發(fā)生彎曲，因而載流子的輸運過程會??發(fā)生改變，特別地，電子泄露會變得更加容易。Ｌｉｎｇ等人在生長了具有不同極性的ＧａＮ??基ＬＥＤ用以探宄極化電場對ＬＥＤ性能的影響。他們準備了兩種極性的樣品，分別是ｃ??面藍寶石、ｍ面的ＧａＮ襯底上的具有六個周期的多量子阱ＬＥＤ［９６］。圖ｌ－６（ａ）為加載了??正向工作電流條件下，兩個ＬＥＤ樣品的能帶圖。結(jié)果顯示，ｃ面藍寶石襯底上生長的??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，這說明在??電子會集中分布在靠近ｐ摻雜區(qū)域的數(shù)個量子阱層中
【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳振;周名兵;付羿;;8英寸Si襯底上高質(zhì)量AlGaN/GaN HEMT結(jié)構(gòu)的生長[J];半導(dǎo)體技術(shù);2018年04期

2 張翀;謝晶;謝泉;;MgO緩沖層對Si襯底上制備Fe_3Si薄膜性能的影響[J];半導(dǎo)體技術(shù);2017年12期

3 馮志宏;尹甲運;袁鳳坡;劉波;梁棟;默江輝;張志國;王勇;馮震;李效白;楊克武;蔡樹軍;;Si襯底上5.1W/mm功率密度的GaN HEMT[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2007年12期

4 邱虹;劉軍林;王立;江風(fēng)益;;SiON鈍化膜對硅襯底氮化鎵綠光LED可靠性的影響[J];發(fā)光學(xué)報;2011年06期

5 姚振鈺,賀洪波,柴春林,劉志凱,楊少延,張建輝,廖梅勇,范正修,秦復(fù)光,王占國,林蘭英;在p-Si(100)上濺射法生長ZnO的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性[J];功能材料與器件學(xué)報;2000年04期

6 王勇;于乃森;黎明;劉紀美;;MOCVD生長非故意摻雜GaN/Si薄膜的電阻率控制研究[J];科技創(chuàng)新導(dǎo)報;2011年31期

7 李冬梅;李璠;蘇宏波;王立;戴江南;蒲勇;方文卿;江風(fēng)益;;MOCVD方法在Ti/Si(111)模板上生長ZnO薄膜的研究[J];人工晶體學(xué)報;2006年01期

8 吳玉新;薛成山;莊惠照;田德恒;劉亦安;何建廷;;電泳沉積法制備GaN薄膜的結(jié)構(gòu)和組分分析[J];功能材料;2006年09期

9 劉衛(wèi)華;李有群;方文卿;周毛興;劉和初;莫春蘭;王立;江風(fēng)益;;Si襯底GaN基LED理想因子的研究[J];功能材料與器件學(xué)報;2006年01期

10 李紀輝;楊輔軍;陳宏博;劉德高;李萬軍;陳曉琴;楊昌平;;沉積在Si襯底上Co_2MnSi薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性能分析[J];湖北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2018年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 林志霆;Si襯底上大功率GaN基LED的外延結(jié)構(gòu)設(shè)計與器件制備[D];華南理工大學(xué);2018年

2 張建立;硅襯底氮化鎵基黃光LED外延生長與器件性能研究[D];南昌大學(xué);2014年

3 王曉華;Si襯底上ZnSe，ZnTe薄膜及其量子阱的LP-MOCVD生長和光學(xué)特性[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機械與物理研究所）;2003年

4 毛清華;高光效硅襯底GaN基大功率綠光LED研制[D];南昌大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 黃愉;生長條件對硅襯底GaN薄膜中C、H、O雜質(zhì)濃度影響的研究[D];南昌大學(xué);2012年

2 鄺海;硅襯底GaN基藍光LED可靠性研究[D];南昌大學(xué);2007年

3 肖友鵬;Si襯底GaN基功率型LED芯片性能研究[D];南昌大學(xué);2010年

4 陶喜霞;硅襯底藍光LED P層厚度優(yōu)化及其應(yīng)力研究[D];南昌大學(xué);2011年

5 邱虹;硅襯底GaN基LED鈍化層與P面歐姆接觸的研究[D];南昌大學(xué);2011年

6 崔秀芝;Si基二維孔構(gòu)ZnO周期結(jié)構(gòu)薄膜生長及性能研究[D];曲阜師范大學(xué);2008年

7 武芹;襯底切偏角和p型歐姆接觸對Si襯底GaN基LED性能穩(wěn)定性的影響[D];南昌大學(xué);2015年

8 劉文;不同轉(zhuǎn)移工藝制備的垂直結(jié)構(gòu)Si襯底GaN基LED光衰研究[D];南昌大學(xué);2015年

9 崔志勇;晶向偏離硅襯底上GaN材料特性及位錯研究[D];南昌大學(xué);2012年

10 邱沖;Si基LED材料位錯與器件鈍化研究[D];南昌大學(xué);2008年

本文編號：2847166