【摘要】：隨著LED的迅速發(fā)展普及,它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交通信號燈、大屏顯示、城市景觀燈、汽車照明和日用照明等領(lǐng)域,并且以GaN為基的LED被認(rèn)為將取代傳統(tǒng)照明(如鹵素?zé)�、熒光燈和白熾燈�?成為新一代照明光源。目前,在實際應(yīng)用中,LED的發(fā)光效率會遭遇衰減問題,即“efficiency droop”。同時,在GaN基LED中,存在制約其發(fā)光效率提升的兩大實際問題,即量子阱有源區(qū)存在強(qiáng)極化電場和高位錯密度。對高In組分GaN基LED(發(fā)光波長520~575 nm)來說,其量子阱受到更大的極化電場。另外,高In組分的InGaN量子阱一般在相對較低的溫度下生長獲得,并且InN在GaN中可混溶性低,從而會促使更多缺陷產(chǎn)生�？梢�,上述問題對高In組分GaN基LED發(fā)光效率的制約將更為嚴(yán)重。因此,尋找有利于減小量子阱有源區(qū)強(qiáng)極化電場和高位錯密度以及效率衰退問題的方法,提升高In組分GaN基LED發(fā)光效率,正成為科研工作者的研究熱點。本文從準(zhǔn)備層和量子阱兩方面入手研究,針對當(dāng)今GaN基LED存在的幾個重要問題(量子阱區(qū)有源區(qū)存在強(qiáng)極化電場、高位錯密度和LED的效率Droop),采用高分辨率X射線衍射(HRXRD),掃描電子顯微鏡(SEM),熒光顯微鏡(FL),二次離子質(zhì)譜(SIMS),電致發(fā)光(EL)等測試手段,探究了不同準(zhǔn)備層和量子阱區(qū)生長參數(shù)及結(jié)構(gòu)對Si襯底GaN基LED性能的影響。本文取得了以下研究結(jié)果:1.創(chuàng)新地提出采用SIMS與SEM測試手段相結(jié)合的方法來表征GaN基LED全結(jié)構(gòu)中V型坑大小及密度。首先,通過SIMS對LED的p-GaN進(jìn)行剝蝕至露出MQW即可,然后再利用SEM對其表面進(jìn)行觀測,此方法準(zhǔn)確的表征了GaN基LED全結(jié)構(gòu)中V型坑的大小及密度。2.通過在量子阱下方分別插入兩組不同厚度的InGaN/GaN超晶格,揭示了超晶格厚度與Si襯底GaN基藍(lán)光LED光電性能之間的關(guān)系,即隨超晶格厚度增加,樣品的反向漏電流加劇;300 K下EL測得隨著電流增加,LED峰值的藍(lán)移量隨超晶格厚度增加而減少,但不同超晶格厚度的兩個樣品光強(qiáng)度幾乎無差異。使用TEM對兩樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)具有更大超晶格厚度樣品MQW區(qū)的穿透位錯更少,本文將其歸為In GaN/GaN界面數(shù)量及體系的應(yīng)力增加所致。3.討論了不同超晶格生長溫度對Si襯底GaN基綠光LED性能的影響。在常溫時,超晶格生長溫度較高的樣品具有更小的反向漏電流以及更高的發(fā)光效率。變溫正向I-V曲線表明,較高超晶格生長溫度樣品表現(xiàn)出更高的正向電壓,此現(xiàn)象在低溫下(150 K)表現(xiàn)更為明顯。對比低溫下不同超晶格生長溫度器件的效率droop,發(fā)現(xiàn)了電子泄漏是低溫下器件量子效率droop加劇的主因。4.為了提高LED在綠光波段(520 nm)的器件性能,研究了超晶格應(yīng)力釋放層中不同InGaN/GaN厚度比對Si襯底綠光LED性能的影響。實驗表明:樣品中均存在兩種不同類型的V型坑,形成于起初幾個量子阱中的V型坑會導(dǎo)致器件性能的下降。建立了載流子垂直運(yùn)輸模型,較好地解釋了LED器件串聯(lián)電阻隨InGaN/GaN厚度比增加而減小的原因。對比CL圖像發(fā)現(xiàn),具有較大In GaN/GaN厚度比樣品的量子阱發(fā)光均勻性更好。5.研究了量子阱阱厚對Si襯底GaN基黃光LED性能的影響。結(jié)果表明:當(dāng)阱厚超過2.3 nm時,MQW中出現(xiàn)大量的大尺寸(微米級大小)In團(tuán)簇,并且大尺寸In團(tuán)簇的密度隨阱厚的增加而增大。大尺寸In團(tuán)簇作為載流子的優(yōu)先通道會使LED漏電流加劇、發(fā)光效率下降。另外,變溫(300 K)EL結(jié)果表明,具有較大量子阱阱厚樣品的發(fā)光效率表現(xiàn)出更為嚴(yán)重的溫度droop,此現(xiàn)象在小電流密度下表現(xiàn)更為顯著。6.系統(tǒng)分析了Si襯底GaN基黃-綠光LED中量子阱個數(shù)對其性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):量子阱個數(shù)的變化對外延片表面形貌及MQW的發(fā)光均勻性沒影響。具有較大量子阱個數(shù)的樣品表現(xiàn)出更低的正向電壓和更為嚴(yán)重的漏電流。另外,隨著量子阱個數(shù)增加,LED器件EL半峰寬增加,但在大電流密度下,EL半峰寬的增幅減小。常溫EQE和LOP結(jié)果表明,隨著量子阱個數(shù)增加,EQE和LOP呈先增加后減小變化。綜合實驗結(jié)果,適合本實驗黃-綠光LED的最佳量子阱個數(shù)為7個。7.通過對比不同量子阱阱厚的Si襯底GaN基黃-綠光LED性能發(fā)現(xiàn),量子阱阱厚的變化對外延片表面形貌及MQW發(fā)光均勻性影響很小,并且量子阱阱厚增加,LED器件的EL峰值波長藍(lán)移程度和半峰寬大小均無明顯變化。另外,LED器件EQE隨量子阱阱厚增加呈先增加后減小趨勢。8.探究了GaN量子壘生長溫度對Si襯底GaN基黃-綠光LED性能的影響。結(jié)果顯示:GaN壘溫對LED器件的反向漏電和發(fā)光性能有著重要影響,GaN壘溫升高明顯降低了器件的反向漏電流。LED的發(fā)光效率隨GaN壘溫升高呈先增加后減小變化。通過對比SIMS結(jié)果發(fā)現(xiàn),過高的壘溫會導(dǎo)致阱壘界面變差。以上研究成果部分內(nèi)容已發(fā)表在Journal of Applied Physics、Chinese Physics Letters以及物理學(xué)報上。另有部分待發(fā)表。
【圖文】：

[7]。圖1.1還給出了晶體結(jié)構(gòu)為纖鋅礦結(jié)構(gòu)的III族氮化物材料體系的能帶帶隙。InxGa1-xN 材料體系合金，其在整個合金組分范圍內(nèi)均為直接帶隙，理論上涵蓋了從紫外光（組分 x=0 即 GaN，帶隙為 3.4 eV，波長為 365 nm）到紅外光（組分 x=1 即 InN，帶隙為 0.7 eV，波長為 1800 nm）的整個可見光范圍。上世紀(jì) 80年代初期，GaN 基光電子器件的發(fā)展突飛猛進(jìn)[8]，并在隨后的數(shù)年內(nèi)取得了重大成果

中會出現(xiàn)勢阱和勢壘。由于勢壘的厚度非常薄，不足以分離兩相鄰勢阱中電子的波函數(shù)，因而不同勢阱之間的電子的波函數(shù)會發(fā)生相互交疊；并且勢壘厚度很薄，由于隧穿效應(yīng)，，電子能從一個阱中隧穿至下一個阱中，即阱與阱之間會發(fā)生相互耦合。因此，雖然超晶格勢阱中電子的能級是分立的，但還是被展寬成具有一定寬度的能帶，如圖 1.2（b）所示。超晶格一般適用于功率型光電子器件的制備。量子阱是禁帶寬度分別為 EgA、EgB的兩種材料交替生長而形成多個周期的異質(zhì)結(jié)構(gòu)晶體材料，當(dāng) EgA＞EgB時，稱 A 材料的厚度為壘厚 L壘，B 材料的厚度為阱厚 L阱，L壘+L阱為阱壘單個周期的厚度。如果壘厚足夠厚，厚至其厚度大于該材料中電子的德布羅意波波長，并且阱的厚度足夠薄，薄至其厚度小于該材料中電子的德布羅意波波長，我們將這種結(jié)構(gòu)稱之為量子阱。由于量子阱中壘的厚度非常厚，能足以分離兩相鄰阱中電子的波函數(shù)，并且電子不能從一個阱中隧穿至下一個阱中，因此不同勢阱之間的電子的波函數(shù)不會發(fā)生相互交疊與耦合。量子阱阱中電子的能級狀態(tài)為階梯態(tài)，如圖 1.2（a）所示。一般而言，量子阱適合于低閥值，銳譜線光電子器件的制備。
【學(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN312.8

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2693874