论文部分内容阅读
GaN基发光二极管应用领域非常广泛,如照明、背光、显示屏等。目前GaN基蓝光LED的工艺技术相当成熟,电光转换效率达到70%以上,但绿光LED发光效率很低,还存在色度漂移、晶体质量差、p型掺杂低等问题,限制了绿光LED的使用范围,所以研究大电流注入下绿光LED光电特性,进而提升绿光LED性能十分重要。InGaN/GaN绿光LED目前主要面临几个难题,一个是“green gap”现象,即电光转化效率很低;另一个是droop效应,即绿光LED的发光效率随着注入电流密度的增大而下降;此外,温度或电流变化时,绿光LED会发生明显的色度漂移现象,这对显示等应用存在影响。针对以上问题,本论文主要对比研究了大电流注入条件下蓝绿光LED的光电性能。由于LED的热效应,大电流下难以实现结温的实时精确测量,本论文创新地采用集成传感的LED芯片结构实现了结温实时精确测量,在此基础上深入研究了蓝绿光LED的发光特性,比较分析了蓝绿光LED发光强度、峰值能量、半高宽、辐射功率等随结温和电流变化的规律,并分析了相关物理机制。主要研究内容和成果如下:1.首次得到了基于实时准确结温的大范围变结温(120K～350K)和变电流(80mA～240mA,芯片尺寸～500x730um2)下蓝绿光LED峰值能量、半高宽、光输出功率随结温和电流变化的结果。2.蓝绿光LED的发光峰值能量随结温升高都是先蓝移后红移,绿光LED的峰值能量-结温关系图上存在两个极大值,而蓝光只有一个。通过Varshni公式Eg(T)=Eg(0)-αT2/β+T/σ2/kT,可以较为精确地拟合出蓝光和绿光LED的σ,分别为30meV和37.8meV。绿光的σ更大,这可以归结于绿光LED中In组分波动较大,从而发光激子受到的散射更强。绿光LED峰值能量-结温中的两个极值可归结为A激子到B激子的转换,而蓝光中不存在这种转换。3.大电流注入条件下,在不同温度下,蓝绿光LED发光峰的FWHM与电流密度都近似为线性,但蓝绿光LED的线性系数在高低温下有显著差别。如250K时,蓝绿光LED的半高宽与注入电流比例系数k分别为0.7223E-4 eV/mA和1.007E-4eV/mA,绿光稍大;150K时,蓝光的k系数显著下降到0.1735E-4 eV/mA,而绿光的k系数反而有上升到1.628E-4 eV/mA。我们的解释为,较高温度下,峰值随电流密度蓝移主要是由K空间的能带填充效应引起的;低温下,绿光的峰值随电流密度蓝移主要是由于实空间的能带填充效应引起的,蓝光则不存在这种情况。在测试温度范围内,低温下蓝光LED的发光峰值能量、FWHM、辐射光功率随电流密度的变化都随温度降低趋于不变,而绿光LED的发光峰值能量、FWHM、辐射光功率则仍随电流变化明显,以上差别也可以用实空间的能带填充效应解释。实空间的能带填充效应可能是由于In组分局域化程度不同导致的。通过发光的显微对比观察,也观察到蓝绿光LED的发光局域化有明显不同。4.分析了低温条件下电流增加对蓝绿光LED光电特性影响。结果发现低温下温度降低时开启电压增大幅度远较动态电阻、禁带宽度增大幅度要大,我们推测低温下蓝光LED中增大的注入电流形成了直接越过导带或价带的漏电流,不产生更多的辐射复合,从而对LED发光特性影响较小。