近年來,發(fā)光二極管(LED)由于尺寸小,高效節(jié)能,綠色環(huán)保壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),越來越受到人們的關(guān)注,被廣泛用于顯示屏、固態(tài)照明等領(lǐng)域。而以氮化鎵(GaN)為代表的Ⅲ-Ⅴ族材料具有較寬的禁帶寬度,較大的載流子遷移率,穩(wěn)定性高,抗輻射能力強(qiáng)的特點(diǎn),成為制備發(fā)光二極管的基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展,GaN基發(fā)光二極管的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,然而還是存在一些問題制約著LED行業(yè)的發(fā)展,比如由于異質(zhì)外延產(chǎn)生的晶格失配,由于極化電場(chǎng)引起的量子限制斯塔克效應(yīng),在大功率情況下的效率下降現(xiàn)象等。本文針對(duì)黃綠光波段的發(fā)光二極管開展了一系列研究工作,主要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)以及生長(zhǎng)條件來探究提高器件性能的可能性。本文首先根據(jù)InGaN材料的特性設(shè)計(jì)了低溫p-GaN過渡層與超晶格電子阻擋層結(jié)構(gòu),研究了在量子阱有源區(qū)后插入低溫p-GaN過渡層與超晶格電子阻擋層對(duì)LED光電性能和效率下降現(xiàn)象的影響。使用仿真軟件APSYS進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的LED結(jié)構(gòu)相比,使用新結(jié)構(gòu)后能很好的緩解晶體內(nèi)部尤其是有源區(qū)附近的極化電場(chǎng),增強(qiáng)空穴注入效率,同時(shí)更好的阻擋電子泄露,提高電子空穴復(fù)合效率,從而提高發(fā)光性能。同時(shí),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,插入低溫p-GaN過渡層后,能對(duì)量子阱有源區(qū)起到很好的保護(hù)作用,改善樣品的結(jié)晶質(zhì)量,減少晶體內(nèi)部的位錯(cuò)數(shù)量,同時(shí)超晶格電子阻擋層的使用能夠進(jìn)一步提升器件的光電性能。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的LED相比,采用新結(jié)構(gòu)的樣品在100mA激勵(lì)電流下發(fā)光強(qiáng)度提升了41.9%,同時(shí)效率下降現(xiàn)象也得到了緩解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本匹配,說明我們?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)能切實(shí)可行的改善LED的光電特性。同時(shí)考慮到量子阱對(duì)器件性能具有很大的影響,我們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)探究量子阱生長(zhǎng)的最優(yōu)方案。我們?cè)O(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)分別探究了壘層生長(zhǎng)溫度,壘層生長(zhǎng)厚度以及阱層生長(zhǎng)厚度對(duì)器件性能的影響。壘層生長(zhǎng)溫度直接影響著阱壘界面性能,在某一特定溫度下生長(zhǎng)的壘層能很好的保護(hù)阱層并緩解組分波動(dòng)。阱層與晶體內(nèi)部的極化電場(chǎng)以及量子阱對(duì)載流子的限制效應(yīng)有關(guān),因此厚度也對(duì)發(fā)光性能有著很大的影響,隨著阱層變薄,量子限制斯塔克效應(yīng)能得到緩解,而電子泄露的風(fēng)險(xiǎn)增大,當(dāng)阱層厚度為某一特定值時(shí),樣品整體的發(fā)光性能和耐壓特性都相對(duì)較好,綜合特性最佳。壘層厚度對(duì)晶體的結(jié)晶質(zhì)量也有影響,在特定壘層厚度下生長(zhǎng)的樣品,晶體內(nèi)部的螺位錯(cuò)與刃位錯(cuò)密度相對(duì)較小,結(jié)晶質(zhì)量更好,非輻射復(fù)合中心更少,電子空穴復(fù)合效率更高,發(fā)光效率也更高。我們從阱壘界面性能、晶體結(jié)晶質(zhì)量、量子阱對(duì)載流子的限制作用、材料內(nèi)部組分波動(dòng)等方面分析了量子阱生長(zhǎng)因素的改變對(duì)LED器件綜合性能的影響,找到了最優(yōu)的量子阱生長(zhǎng)方案,從而獲得了相對(duì)器件性能最優(yōu)的LED。通過軟件仿真以及實(shí)驗(yàn),本文給出了提高量子阱中空穴注入效率以及提高結(jié)晶質(zhì)量的有效措施,提升了LED器件的發(fā)光效率,緩解了效率下降現(xiàn)象,為進(jìn)一步改善黃綠光LED性能給出了一定的方向。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN312.8
【部分圖文】：

1.晶體結(jié)構(gòu)GaN 基化合物半導(dǎo)體具有三種結(jié)構(gòu)，如圖 1.1 所示，分別為閃鋅礦結(jié)構(gòu)（立方相鋅礦結(jié)構(gòu)（六方相）以及巖鹽結(jié)構(gòu)（NaCl 型復(fù)式立方結(jié)構(gòu)）。

第一章 緒論5圖1.2 纖鋅礦結(jié)構(gòu)的第一布里淵區(qū)能帶理論通過定性的闡明電子運(yùn)動(dòng)的特征，很好的說明了導(dǎo)體、半導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別。固體材料的能帶圖一般由多條能帶組成，包括導(dǎo)帶，價(jià)帶，禁帶，我們將導(dǎo)帶與價(jià)帶的空隙成為能隙。常見的金屬材料的帶隙一般較窄，絕緣體帶隙較寬，半導(dǎo)體的帶隙介于導(dǎo)體與絕緣體之間。GaN 材料就是典型的直接帶隙半導(dǎo)體材料。直接帶隙半導(dǎo)體與間接帶隙半導(dǎo)體最大的區(qū)別在于在于導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂是否具有相同的波失 k,常見的直接帶隙半導(dǎo)體有 GaAs、GaN、InP 等。直接帶隙半導(dǎo)體中，電子躍遷時(shí)不需要吸收或釋放聲子，而在間接半導(dǎo)體中需要。直接帶隙半導(dǎo)體中，直接復(fù)合的形式能夠?qū)⒛芰咳恳怨饽苄问结尫�，這也是直接帶隙半導(dǎo)體是制作光電子器件的首選材料的原因。纖鋅礦 GaN 的理論計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)[27,28]如圖 1.3 所示。從圖中可以看出，在Γ 點(diǎn)時(shí)價(jià)帶到達(dá)最高點(diǎn)導(dǎo)帶處于最低點(diǎn)

而在間接半導(dǎo)體中需要。直接帶隙半導(dǎo)體中量全部以光能形式釋放，這也是直接帶隙半導(dǎo)體是制作光。纖鋅礦 GaN 的理論計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)[27,28]如圖 1.3 所示。從到達(dá)最高點(diǎn)導(dǎo)帶處于最低點(diǎn)，因此 GaN 是直接帶隙半導(dǎo)

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