GaN基LED具有能耗低、發(fā)光效率高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),在固態(tài)照明、信號(hào)燈和大屏顯示等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而平面GaN基LED存在全反射和Fresnel反射現(xiàn)象,導(dǎo)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(biāo)之一。與平面LED相比,三維(3D)結(jié)構(gòu)LED的3D陣列可增加光提取效率,進(jìn)而調(diào)控LED光電性能。另外,研究表明,V形坑中側(cè)壁量子阱可提高V形坑附近c(diǎn)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(shù)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(dǎo)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(jī)制;研究了V形坑附近載流子在不同溫度下的傳輸復(fù)合機(jī)制,分析了V形坑調(diào)控LED光電性能的物理機(jī)制。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:1.通過(guò)FIB刻蝕技術(shù)在GaN基LED表面制備了周期性良好的納米柱3D LED。LED表面經(jīng)高能FIB轟擊后,存在大量的缺陷和污染,導(dǎo)致3D LED的光致發(fā)光(PL)強(qiáng)度降低。通過(guò)KOH腐蝕技術(shù)去除納米柱表面損傷層,腐蝕后的3D陣列表面和側(cè)面更為平整,3D LED的微區(qū)PL強(qiáng)度較平面LED提高了15.7%,峰值波長(zhǎng)藍(lán)移0.6 nm。結(jié)合PL和3D-FDTD模擬結(jié)果表明:在應(yīng)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(guò)FIB刻蝕技術(shù)制備了方形3D LED芯片,研究了刻蝕束流、KOH腐蝕時(shí)間和刻蝕深度對(duì)3D LED芯片光電性能的影響。結(jié)果表明:刻蝕束流增大,3D陣列的側(cè)壁粗糙度增加,芯片的光電性能下降;KOH腐蝕時(shí)間為5 min時(shí),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?yàn)?束流增大,3D LED芯片的漏電通道增加,輻射復(fù)合效率降低;在KOH腐蝕5 min時(shí),最佳的去除了3D陣列的刻蝕產(chǎn)物和表面損傷層,表明利用FIB刻蝕技術(shù)制備3D LED芯片是一種便捷可行的方法;結(jié)合FDTD模擬結(jié)果,隨著3D陣列刻蝕深度增加,降低了光導(dǎo)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(guò)FIB刻蝕技術(shù)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(jī)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(guò)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(shí),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(qiáng)度比平面LED芯片提高了17.1%,光輸出功率和角分辨EL結(jié)果基本吻合。結(jié)合3D-FDTD算法模擬得到:方形3D LED芯片暴露的側(cè)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(guò)微區(qū)變溫PL研究了V形坑附近c(diǎn)面量子阱的光致發(fā)光特性。微區(qū)變溫PL結(jié)果表明,隨溫度升高主峰發(fā)光峰峰形產(chǎn)生較大展寬并且峰位出現(xiàn)快速藍(lán)移現(xiàn)象。此現(xiàn)象主要?dú)w因于在V形坑附近c(diǎn)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(chǎn)生較高能量的躍遷輻射,在此過(guò)程中,限制在側(cè)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(diǎn)面量子阱中的這一特殊機(jī)制起著關(guān)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(cè)壁量子阱的高勢(shì)壘特性調(diào)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(yùn)至c面量子阱;同時(shí)空穴注入面積和注入深度增加,進(jìn)而LED芯片的光電性能得到提升。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN312.8
【部分圖文】：

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文(111)等異質(zhì)襯底上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。閃鋅礦為立方對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，常溫下以亞穩(wěn)定相存在，通常在 Si (001)等立方結(jié)構(gòu)襯底上外延時(shí)能穩(wěn)定存在。NaCl 結(jié)構(gòu)較為罕見(jiàn)，只有高壓（500GPa）時(shí)纖鋅礦結(jié)構(gòu) GaN 晶體才能轉(zhuǎn)變?yōu)?NaCl 結(jié)構(gòu)。纖鋅礦和閃鋅礦結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)：(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(zhì)LED 多為纖鋅礦結(jié)構(gòu)，表 1-1 列出了常見(jiàn) GaN 晶體的基本參數(shù)。表 1-1 GaN 基本性質(zhì)Table 1-1 The basic properties of GaN.纖鋅礦結(jié)構(gòu) GaN 閃鋅礦結(jié)構(gòu) 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(xué)博士研究生學(xué)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(cè)壁量形成勢(shì)壘，因此阻擋了載流子被位錯(cuò)處的非輻射復(fù)合中心捕角錐臺(tái)表示側(cè)壁量子阱的勢(shì)壘，此高勢(shì)壘阻擋載流子被位錯(cuò)高輻射復(fù)合效率[44, 47]。對(duì)器件電致發(fā)光而言，V 形坑中側(cè)壁蔽位錯(cuò)，同時(shí)上大下小的結(jié)構(gòu)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(guò)控制外延生長(zhǎng)條件，調(diào)控 V索 V 形坑附近區(qū)域的載流子行為，對(duì)進(jìn)一步提高器件性能
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本文編號(hào)：2884475