GaN基LED具有能耗低、發(fā)光效率高和壽命長等優(yōu)點,在固態(tài)照明、信號燈和大屏顯示等領域得到了廣泛的應用。然而平面GaN基LED存在全反射和Fresnel反射現(xiàn)象,導致平面GaN基LED的光提取效率極低,提高GaN基LED的光提取效率是制備高性能LED的目標之一。與平面LED相比,三維(3D)結構LED的3D陣列可增加光提取效率,進而調控LED光電性能。另外,研究表明,V形坑中側壁量子阱可提高V形坑附近c面量子阱的發(fā)光性能。本論文利用聚焦離子束(FIB)刻蝕技術制備了納米柱3D LED、條形和方形3D LED芯片。研究了3D LED的光電性能,采用3D-FDTD算法分析了光導模在3D陣列中的耦合傳輸模式,闡述了3D陣列提高LED光提取效率的機制;研究了V形坑附近載流子在不同溫度下的傳輸復合機制,分析了V形坑調控LED光電性能的物理機制。主要研究內容和結論如下:1.通過FIB刻蝕技術在GaN基LED表面制備了周期性良好的納米柱3D LED。LED表面經高能FIB轟擊后,存在大量的缺陷和污染,導致3D LED的光致發(fā)光(PL)強度降低。通過KOH腐蝕技術去除納米柱表面損傷層,腐蝕后的3D陣列表面和側面更為平整,3D LED的微區(qū)PL強度較平面LED提高了15.7%,峰值波長藍移0.6 nm。結合PL和3D-FDTD模擬結果表明:在應力釋放、納米諧振腔耦合和光子晶體衍射的共同作用下,3D LED的發(fā)光性能得到了提升。2.通過FIB刻蝕技術制備了方形3D LED芯片,研究了刻蝕束流、KOH腐蝕時間和刻蝕深度對3D LED芯片光電性能的影響。結果表明:刻蝕束流增大,3D陣列的側壁粗糙度增加,芯片的光電性能下降;KOH腐蝕時間為5 min時,3D LED芯片的光電性能最優(yōu);隨著3D陣列刻蝕深度增加,芯片的光電性能逐漸下降。分析原因為:束流增大,3D LED芯片的漏電通道增加,輻射復合效率降低;在KOH腐蝕5 min時,最佳的去除了3D陣列的刻蝕產物和表面損傷層,表明利用FIB刻蝕技術制備3D LED芯片是一種便捷可行的方法;結合FDTD模擬結果,隨著3D陣列刻蝕深度增加,降低了光導模被3D陣列提取至空氣中的幾率,引起3D LED芯片的光提取效率的下降。3.通過FIB刻蝕技術制備了條形和方形3D LED芯片,探究了平面和3D LED芯片的光電性能,闡述了方形3D LED芯片光電性能提高的機制。條形3D LED芯片的光輸出功率低于平面LED芯片,主要是由于3D LED芯片刻蝕面積過大,載流子注入效率降低;方形3D LED芯片和平面LED芯片具有基本相同的I-V特性;注入電流為20 mA時,方形3D LED芯片的光輸出功率比平面LED芯片提高了17.8%,垂直方向的角分辨EL強度比平面LED芯片提高了17.1%,光輸出功率和角分辨EL結果基本吻合。結合3D-FDTD算法模擬得到:方形3D LED芯片暴露的側壁量子阱增加了光子的逃逸幾率,提高了光提取效率。4.通過微區(qū)變溫PL研究了V形坑附近c面量子阱的光致發(fā)光特性。微區(qū)變溫PL結果表明,隨溫度升高主峰發(fā)光峰峰形產生較大展寬并且峰位出現(xiàn)快速藍移現(xiàn)象。此現(xiàn)象主要歸因于在V形坑附近c面量子阱中,隨溫度升高載流子遷移率提高,使得更高比例的載流子產生較高能量的躍遷輻射,在此過程中,限制在側壁量子阱中的載流子由于獲得足夠的熱能而傳輸?shù)絍形坑附近c面量子阱中的這一特殊機制起著關鍵性的作用。依據(jù)V形坑中電子阻擋層和p-GaN的高電阻以及側壁量子阱的高勢壘特性調控V形坑尺寸。隨V形坑尺寸增加,更高比例的空穴電流可安全輸運至c面量子阱;同時空穴注入面積和注入深度增加,進而LED芯片的光電性能得到提升。
【學位單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN312.8
【部分圖文】：

太原理工大學博士研究生學位論文(111)等異質襯底上進行外延生長。閃鋅礦為立方對稱結構，常溫下以亞穩(wěn)定相存在，通常在 Si (001)等立方結構襯底上外延時能穩(wěn)定存在。NaCl 結構較為罕見，只有高壓（500GPa）時纖鋅礦結構 GaN 晶體才能轉變?yōu)?NaCl 結構。纖鋅礦和閃鋅礦結構的差別在于原子的堆積方式不同。前者沿 c 軸<0001>方向按 ABABAB……的順序堆垛，后者沿<111>方向按 ABCABCABC……的方式堆垛。

圖 1-2 GaN 的晶體結構：(a) Ga 極性面；(b) N 極性面[31]hematic drawing of the crystal structure of wurtzite (a) Ga-face and (b) N-face Ga理性質LED 多為纖鋅礦結構，表 1-1 列出了常見 GaN 晶體的基本參數(shù)。表 1-1 GaN 基本性質Table 1-1 The basic properties of GaN.纖鋅礦結構 GaN 閃鋅礦結構 GaNC46v-P6ymc Td-43m 8.9×10228.9×10220） 600K 600Kg）3.39eV（300K）3.2-3.3eV（300K）3.50eV（1.6K）dEg/（dT）= 6×10-4eV/K

太原理工大學博士研究生學位論文一，禁帶寬度較 c 面量子阱大。由于較大禁帶寬度的側壁量形成勢壘，因此阻擋了載流子被位錯處的非輻射復合中心捕角錐臺表示側壁量子阱的勢壘，此高勢壘阻擋載流子被位錯高輻射復合效率[44, 47]。對器件電致發(fā)光而言，V 形坑中側壁蔽位錯，同時上大下小的結構可以增加器件中空穴的數(shù)量，提升器件的光電性能。因此，通過控制外延生長條件，調控 V索 V 形坑附近區(qū)域的載流子行為，對進一步提高器件性能
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本文編號：2884475