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相比传统半导体硅,III族氮化物半导体氮化镓(GaN)具有宽禁带和直接带隙等优势,特别适合制备高效短波长发光器件,如蓝色发光二极管(LED),在固态照明等领域具有巨大的应用潜力。但是,在正向大电流注入情况下,传统p型AlGaN电子阻挡层(EBL)结构会降低空穴向有源层的注入效率,导致发光效率随电流增加急剧下降,发生所谓的效率droop行为。同时,(In)GaN薄膜与蓝宝石衬底之间存在较大晶格和热膨胀系数失配,InGaN/GaN多量子阱LED器件材料内会形成高密度的线性位错。这些电学位错不仅为漏电流提供主要输运路径,还是载流子的有效非辐射复合中心,严重限制了GaN基LED的光电效率。因此,寻找合适的EBL结构,改善效率droop行为,减小器件内部的位错密度,改善晶体质量,对提高GaN基LED的光电特性具有重要意义。本文研究了不同的组份渐变EBL结构和图形化蓝宝石衬底(PSS)对GaN基LED的电学和光学特性的影响,主要研究内容和结论归纳如下。首先,采用数值模拟的方法,研究了Al组份渐变p-AlGaN EBL对InGaN/GaN蓝光LED电学和光学特性的影响。使用模拟软件Silvaco Atlas分析了p型AlxGa1-xN EBL中Al组份不同对LED光电性能的影响,结果表明:对比均匀组份、阶梯形组份、斜线形组份渐变以及梯形组份渐变EBL结构,三角形组份渐变结构能有效减小器件的开启电压;并且,由于改善了极化效应,三角形组份渐变EBL结构可减小器件的漏电流,增强空穴注入效率,提高光输出功率和内量子发光辐射效率,并改善高注入电流水平下的发光效率droop行为。然后,对比了传统蓝宝石衬底(CSS)和PSS对GaN基LED的电学和光学特性的影响。利用扫描电子显微镜、光致发光和阴极射线发光等表征和测试方法,验证了PSS可以有效提高外延层的质量,且三角锥图形的PSS更有利于降低位错密度;另外还对比了CSS、蒙古包形PSS和三角锥形PSS对GaN基蓝光LED的电流和发光特性的影响。结果表明,采用PSS可以有效改善LED的电学与光学性能。此外,由于三角锥形PSS的图形倾斜角度较小,散射范围大,增强了光提取效率,因此三角锥形PSS LED的输出功率和外量子效率等发光性能更好。最后,研究了GaN基LED反向漏电流随温度变化的物理机制。低温时(<220 K),主要是缺陷态跳跃传导输运机制,在低偏压和高偏压下其特征温度分别为1.2×109 K和1.0×108 K。高温时(>220 K),有两种不同的热激活机制:在低偏压下为缺陷辅助的多步隧穿,电子通过热激活和多步隧穿,从p型GaN中的价带传输到n型GaN中的导带上;在高偏压下为Poole-Frenkel机制,电子从陷阱态热发射到导带上,形成漏电流。这表明,位错相关的深能级缺陷态是引起反向漏电流增大的主要原因。