论文部分内容阅读
GaN基大功率LED作为第四代电光源，具有体积小、低电压、寿命长、效率高、节能等优良特性，但目前还存在转换效率低、光通量小、可靠性差等缺点。这主要是由蓝宝石异质外延GaN晶格质量较差、GaN材料强烈的极化效应、p型GaN激活效率低等原因造成。本论文利用高分辨X光衍射(HRXRD)、光荧光(PL)与芯片测试等技术，设计并优化了底层GaN、有源区和p型层等关键结构的生长工艺，有效地改善大功率LED的光电性能，主要结论如下:
1.PSS衬底外延GaN晶格质量的提升:研究了湿法制作图形化蓝宝石衬底，并在其上外延GaN和LED全结构。PL测量结果显示PSS衬底上外延GaN的本征峰发光强度要明显强于普通蓝宝石衬底上生长的GaN的本征峰的强度;XRD扫描结果表明，PSS衬底上GaN样品的晶体质量相对于普通蓝宝石衬底上的GaN得到明显提高。对PSS衬底上外延LED全结构的研究表明:相同规格的PSS衬底，无C面LED比有C面LED包灯光功率高，随着PSS图形深度增加，LED光功率增加，但深度增加到一定程度时，由于外延生长困难度的增加，晶体生长质量下降，反面会引起LED亮度的下降。另外，随着PSS衬底图案间距的减小及PSS衬底图案尺寸的增大，LED光功率也会增加。
2.有源区超晶格结构的生长与分析:研究了InGaN/GaN应力释放层的生长和规律，发现随着SLloop数的增加，亮度呈现先上升后下降的趋势，是因为SL厚度较薄时缓冲作用占主导，继续增加厚度时SL晶格质量变差占主导;研究了MQW的亮度和电压随QB厚度的变化规律，发现随着MQB的厚度增加，亮度也呈现先上升后下降的趋势，是因为MQB厚度较薄时，垒对晶格质量的改善占主导作用，厚度继续增加时，垒对空穴迁注入的抑制占主导作用;研究了采用p型AlGaN/InGaN超晶格对亮度和电压的影响规律，发现随着p-AlGaN/p-InGaNloop数增加，亮度呈先上升后下降的趋势，是因为p-AlSL结构阻挡了跃迁进入p-GaN的电子，减少非辐射复合的作用占主导，loop数继续增加时，p-AlSL结构对空穴的阻挡作用占主导。
3.p型接触层的生长与分析:随着高掺p型GaN(p++)厚度的增加，LED电压先降低后升高，这是因为金半接触会产生很高的势垒，而高掺的p++层可以使势垒区宽度变薄，从而增强隧穿效果以降低电压。但是载流子隧穿几率随势垒变宽而明显下降，导致电压升高;另一方面随着Mg掺杂的提高，空穴浓度增加，电阻率减小，电压降低。最后过高的Mg掺杂恶化了晶格质量，自补偿效应显著，空穴浓度变低，势垒厚度变大，载流子隧穿几率变小，导致电压升高;在p型InGaN接触层，当InGaN接触层由0.9nm加厚至2.3nm时，InGaN层提供的空穴浓度得到提升，有利于降低接触电阻从而降低电压，但是当InGaN层进一步加厚时，势垒高度和宽度进一步增加，隧穿效应变弱，导致电压逐渐升高。
4.高效率大功率LED的设计与性能:根据上述各关键层生长条件优化的结果，在优化后的PSS衬底上外延GaN层，20周期的InGaN/GaN超晶格作为应力释放层和10周期的MQW有源区为发光层，6周期的p型AlGaN/InGaN超晶格作为电子阻挡层和200nm的p型GaN，接触层包括p++GaN和p型InGaN层。制作的50mil*50mil大功率LED芯粒全测LOP均值在430mW左右，VF均值在3.1-3.3V之间分布。包白灯亮度在140-150lm，光效在130-135lm/W，色温5000K，显色指数70附近，色坐标数据正常，已经达到110lm/W的项目指标。结果得到700mA电流驱动下室温老化96小时，光衰小于-10％，老化1008小时，老化光衰小于-15％，老化IR数据正常。