论文部分内容阅读
随着技术的不断进步与突破,GaN基半导体材料在LED器件中广泛应用,其波长可实现从紫外到蓝光、绿光以及黄光范围内的调节。相较于蓝光,绿光LED多量子阱为具有更高In组分的InGaN材料,而高质量高In组分的InGaN材料生长难度大,导致绿光LED发光效率明显低。GaN基LED器件在小电流密度下光效高,而在较大电流下会出现效率衰减现象,通常情况下绿光LED比蓝光效率衰退更为明显。导致效率衰减的因素包括电子从有源区向P型层泄漏、空穴注入效率低以及空穴分布不均匀等。为了进一步提高绿光LED的发光效率,本论文通过改变AlGaN电子阻挡层来改善空穴注入效率。研究了AlGaN电子阻挡层对具有较大V形坑结构的硅衬底GaN基绿光LED光电性能的影响,获得如下研究成果:1.在传统的电子阻挡层后再生长一层低掺的p-AlGaN层,研究了不同低掺段p-AlGaN厚度对硅衬底GaN基绿光LED发光性能的影响。结果表明,在35A/cm2电流密度下,随着低掺段p-AlGaN厚度从0nm增加到38nm,绿光LED的外量子效率呈现先增加后减小的变化趋势。当低掺段p-AlGaN厚度为25nm时,520nm的绿光LED外量子效率和光功率均达到最大值,分别为43.6%和362.3mW,这是截至目前公开报道的最高记录。当厚度进一步增加到38nm时,其LED外量子效率和光功率均出现下降。其原因归结为低掺段p-AlGaN厚度的变化能够对空穴的注入途径起到调节作用,随着厚度的增加,空穴从V形坑注入的比例增加,可以注入到更深的靠近n层的量子阱中,使空穴分布更加均匀,从而提升量子效率。但厚度的进一步增加也会导致V形坑侧壁p-AlGaN厚度的增加,对空穴会有较大的阻挡效果,造成量子效率降低。样品在低温下观察到了不同于常温下的电致发光现象,随p-AlGaN厚度的增加,在大电流下,不仅出现了靠近p-GaN一侧量子阱发光峰,还出现了靠近n-GaN一侧量子阱的发光峰,进一步说明了低掺段p-AlGaN厚度能够对空穴的注入途径起到调节作用,有利于提高空穴从V坑的注入效率。2.通过调节p-AlGaN层的生长气压,研究了不同生长气压对p-AlGaN晶体质量、碳浓度分布以及LED光电性能的影响。当生长气压由100mbar升高到200mbar时,其C浓度从2.3×1018atom/cm3下降到1.2×1017atom/cm3。原因归结为:生长气压低,分子及原子活性降低,不易反应生成CH4气体分子,脱离到外延片表面的C原子减小,导致C浓度提高。随着生长气压增加,器件的正反向漏电均有所增加,其原因归结为:热驱动对流和气相中的寄生反应在较低的生长气压下会得到抑制,p-AlGaN层界面的陡峭程度有所改善,缺陷减少,导致遂穿电流减少。而缺陷的减少,空穴被缺陷补偿少,所以小电流密度下EQE提高。在35A/cm2的电流密度下,随生长气压的降低,绿光LED的外量子效率由35.7%提高到40.7%。大电流密度下EQE出现了较为明显的提升,原因归结为:p-AlGaN层C浓度的变化同样地可以起到调节空穴注入途径的效果,C浓度增加有利于提高空穴从V坑的注入效率,发光效率得到改善。3.末垒结构进行了调整,把末垒为10nm的GaN改为了5nm的GaN和5nm的不掺杂的Al0.5Ga0.5N,研究了末垒Al0.5Ga0.5N层对硅衬底GaN基绿光LED发光性能的影响。末垒Al0.5Ga0.5N层不掺杂且是高Al组分,形成高阻,对空穴具有较大的阻挡效应,导致整体的串联电阻增大,电压上升。末垒加入Al0.5Ga0.5N层后,LED的外量子效率整体得到提升。小电流下,其发光效率的提升归结为:末垒Al0.5Ga0.5N对空穴有阻挡效果,导致空穴难以通过平台注入到更多的量子阱中,但是在单个量子阱中的空穴浓度更高,有效电流密度大,EQE提高。而随着有效电流密度的增加,其半峰宽变大,峰值波长变短。在35A/cm2电流密度下,绿光LED的外量子效率由39%提高到43%。大电流密度下,其发光效率明显的提升归结为:末垒Al0.5Ga0.5N同样起调节空穴注入途径的作用,空穴从V形坑注入的比例增加,可以注入到更深的靠近n层的量子阱,从而EQE得到提升。空穴可以注入到更多的量子阱中,有效态密度降低,能带填充效应降低,所以半峰宽减小。低温下,随着电流密度的增加,不仅出现了10nm垒厚的量子阱发光峰,还出现13nm垒厚的量子阱发光峰以及侧壁量子阱的发光峰。这也进一步说明了末垒Al0.5Ga0.5N层能够有效改善空穴从V坑注入的效率。本文对AlGaN层进行了研究,具有较大V形坑结构的硅衬底GaN基绿光LED的发光效率得到明显提升。但是,为了进一步提高发光效率,还需要对AlGaN层的外延生长工艺参数以及结构设计进行优化:降低V坑中AlGaN层生长速率、减小V坑中AlGaN层Al组分、增加V坑中AlGaN层掺Mg量等方面,进一步提高空穴从V坑的注入效率。