綠光LED器件光電性能的提高對于LED在液晶背光源,全景顯示以及固態(tài)照明等領(lǐng)域的應(yīng)用前景具有重要研究意義。目前,在500~550nm的綠光波段,無論是在AlGaInN體系材料還是AlGaIn P體系材料,其發(fā)光效率均很低,被稱為“green gap”。為了解決這一問題,本文對Si襯底大功率綠光LED的性能提升進(jìn)行了研究。首先,針對GaN基LED的一些共性技術(shù)突破進(jìn)行了研究。這些技術(shù)包括GaN材料的高速生長、p-AlGaN電子阻擋層陡摻對LED器件變溫電致發(fā)光性能提升以及LED器件工作電壓隨溫度變化特性研究等。隨后,在這些研究基礎(chǔ)上對Si襯底大功率綠光LED的外延生長進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化,提升了器件的光效以及可靠性。本文取得了以下主要研究結(jié)果:1.在利用低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(LP-MOCVD)高速生長GaN層時,其非故意摻雜C含量被發(fā)現(xiàn)與生長速率有著線性的依賴關(guān)系。當(dāng)生長速率由2.0μm/h增加至7.2μm/h時,外延層的C含量被發(fā)現(xiàn)由2.931017cm-3增加至5.731018cm-3。C含量與N空位的濃度可能有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),GaN的光致發(fā)光光譜中,黃帶以及藍(lán)帶相對于帶邊發(fā)光強(qiáng)度隨C含量增加呈線性變化。該研究表明與C相關(guān)的缺陷是GaN中黃帶與藍(lán)帶發(fā)光的主要來源。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在Journal of Semiconductors。2.通過實(shí)現(xiàn)對p-AlGaN電子阻擋層的陡峭摻雜,使GaN基LED器件的光電性能得到了提升。在常溫時,陡峭摻雜樣品具有更小的波長漂移以及更高的發(fā)光效率。而在低溫時,傳統(tǒng)樣品中經(jīng)常觀察到的低溫量子效率坍塌(efficiency collapse)現(xiàn)象并沒有在陡峭摻雜樣品中出現(xiàn)。通過比較由于載流子之間不匹配而在p型層形成的電場強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)陡峭摻雜樣品在低溫時具有更小的電場。而這個電場正是引起載流子泄露并導(dǎo)致量子效率衰退的主因。換言之,在低溫時,陡峭摻雜樣品具有更小的載流子泄露,從而抑制了嚴(yán)重的量子效率衰退。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在The Electrochemical Society。3.在溫度變化時,如果GaInN發(fā)光二極管能夠保持相對穩(wěn)定的工作電壓對其實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。本文通過MOCVD生長了一系列包含不同有源區(qū)結(jié)構(gòu)、不同p型層結(jié)構(gòu)以及不同摻雜濃度縱向分布的樣品,并對它們在不同溫度區(qū)間內(nèi)正向電壓隨溫度變化斜率(dV/dT)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:a)有源區(qū)中包括插入層設(shè)計,量子阱結(jié)構(gòu)以及發(fā)光波長等因素的變化對正向電壓隨溫度變化特性影響很小;b)影響常溫區(qū)間(300K±50K)正向電壓隨溫度變化斜率的最主要因素為p-AlGaN電子阻擋層起始生長階段的摻雜形貌,具有p-AlGaN陡摻界面的樣品電壓變化斜率為-1.3mV/K,與理論極限值-1.2mV/K十分接近;c)p-GaN主段層的摻Mg濃度對低溫區(qū)間(200K)的正向電壓隨溫度變化斜率有直接影響,摻Mg濃度越低則dV/dT斜率越大。以上現(xiàn)象歸因于在不同溫度區(qū)間,p-AlGaN以及p-GaN發(fā)生Mg受主凍結(jié)效應(yīng)的程度主要取決于各自的摻雜濃度。因此Mg摻雜濃度縱向分布不同的樣品在不同的溫度區(qū)間具有不同的串聯(lián)電阻,最終表現(xiàn)為差異很大的正向電壓溫度特性。相關(guān)的分析結(jié)果發(fā)表在物理學(xué)報。4.設(shè)計了一種全新的Si襯底大功率綠光LED外延結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化分為以下幾個方面:a)通過優(yōu)化N型層摻雜,改善了垂直結(jié)構(gòu)LED的電流分布;b)優(yōu)化了插入層中的低溫GaN層厚度,InGaN/GaN超晶格層In組份,藍(lán)光多量子阱結(jié)構(gòu)阱厚。在N層與綠光發(fā)光量子阱之間形成了良好的In組份梯形漸變,使大電流工作密度時,電子能夠被冷卻,減少了載流子泄露,緩解了量子效率衰退;c)優(yōu)化了綠光量子阱厚度以及壘結(jié)構(gòu),采用的InGaN/AlGaN/InGaN壘能夠降低量子阱中的極化電場,提高了器件的發(fā)光效率。經(jīng)過以上優(yōu)化,該結(jié)構(gòu)的1mm31mm器件在常溫35A/cm2,波長為515nm,520nm以及525nm的器件內(nèi)量子效率分別達(dá)到45.2%,42.5%以及41.6%。5.為了提升含有大型V形坑的Si襯底功率型綠光LED的漏電性能以及發(fā)光效率,對p-AlGaN電子阻擋層(EBL)厚度進(jìn)行了優(yōu)化研究。研究發(fā)現(xiàn),隨著p-AlGaN EBL厚度的增加,其在V形坑側(cè)壁的厚度也將相應(yīng)增加,能夠更好地實(shí)現(xiàn)對位錯的屏蔽。這也使得當(dāng)p-AlGaN厚度由20nm(傳統(tǒng)厚度)增加至40nm及以上時,在反向5V電壓下,器件漏電流下降約一個數(shù)量級。此外,在不同電流密度時,各樣品外量子效率(EQE)隨EBL厚度的增加呈現(xiàn)出多樣的變化規(guī)律。在峰值EQE對應(yīng)電流密度及以下時,隨EBL厚度增加,EQE先減小后增大;而在工作電流密度及以上時,隨EBL厚度增加,EQE則近似單調(diào)增加并在40nm時達(dá)到EQE的最大值,為31.2%。尺寸為1mm31mm的芯片,在35A/cm2下,波長為520nm時,光功率達(dá)260mW。但隨后繼續(xù)增加EBL厚度,EQE反而下降。這些現(xiàn)象分別解釋為EBL厚度變化對輻射復(fù)合效率、電子泄露以及空穴濃度等因素的影響所致。
【學(xué)位單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TN312.8;TQ133.51

【參考文獻(xiàn)】

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1 陳偉超;唐慧麗;羅平;麻尉蔚;徐曉東;錢小波;姜大朋;吳鋒;王靜雅;徐軍;;GaN基發(fā)光二極管襯底材料的研究進(jìn)展[J];物理學(xué)報;2014年06期

本文編號：2820100