高光效硅襯底GaN基大功率綠光LED研制.pdf

1、綠光LED器件光電性能的提高對(duì)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(duì)Si襯底大功率綠光LED的性能提升進(jìn)行了研究。首先，針對(duì)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(duì)

2、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(duì)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(shí)，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(shí)，外延層的C含量被發(fā)現(xiàn)由2.931017cm-3

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(duì)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(duì)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(shí)，陡峭摻雜樣品具有更小的波長

4、漂移以及更高的發(fā)光效率。而在低溫時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)陡峭摻雜樣品在低溫時(shí)具有更小的電場(chǎng)。而這個(gè)電場(chǎng)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(shí)，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

5、 Society。
　　3.在溫度變化時(shí)，如果GaInN發(fā)光二極管能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的工作電壓對(duì)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(duì)它們?cè)诓煌瑴囟葏^(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(jì)，量子阱結(jié)構(gòu)以及發(fā)光波長等因素的變化對(duì)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

6、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(duì)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

7、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(bào)。
　　4.設(shè)計(jì)了一種全新的Si襯底大功率綠光LED外延結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化分為以下幾個(gè)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

8、密度時(shí)，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(chǎng)，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

9、率，對(duì)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(duì)位錯(cuò)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(shí)，在反向5V電壓下，器件漏電流下降約一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，在不同電流密度時(shí)，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(duì)應(yīng)電流密度及以下時(shí)，隨EBL厚度增加，EQE先