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近年来,发光二极管(LED)技术发展迅速,AlGa InN体系的紫光、青光、蓝光和绿光LED,以及AlGa InP体系的红光、橙光LED都能获得较高的发光效率。但是,作为红橙黄绿青蓝紫七彩基色之一的黄光,无论AlGaInN体系还是AlGaInP体系都很难制备成高光效LED,这一现象被称为“黄光鸿沟”。本文依托国家硅基LED工程技术研究中心,在Si衬底上生长了GaN基黄光LED外延薄膜,其材料结构依次为:AlN缓冲层、N型GaN层、准备层(超晶格结构)、多量子阱有源层、p-AlGaN电子阻挡层和P型GaN层。本文系统分析了GaN基LED中的空穴输运,并研究了超晶格的周期数、量子阱个数以及有源层垒厚等对Si衬底GaN基黄光LED发光性能的影响,获得了以下新结果:首次观测到Si衬底Ga N基LED中超晶格准备层的低温电致发光(EL)现象;并在此基础上提出了含V形坑的Si衬底GaN基LED中五种路径的空穴输运模型,此五种路径包括:通过c面注入平台量子阱,通过V形坑侧壁注入平台量子阱,在V形坑侧壁量子阱中与电子复合发光,通过V形坑侧壁传输至位于有源层之前的超晶格层,沿位错泄漏。研究了超晶格的周期数对Si衬底GaN基黄光LED发光性能的影响,结果表明:增加超晶格的周期数能够有效消除有源层中微米级的富In团簇。通过优化超晶格的周期数,在20 A/cm~2电流密度下,Si衬底GaN基黄光LED的外量子效率提高了~30%,同时工作电压明显降低(2.56-2.38V),其原因可归结于微米级富In团簇这一类非辐射复合中心的消除和V形坑增大对空穴注入的促进作用。研究了量子阱个数对Si衬底GaN基黄光LED的影响。用量子阱卫星峰的半高宽随衍射级数的变化曲线的斜率表征了量子阱的阱垒界面质量,结果表明:随着阱个数增加,量子阱的阱垒界面质量先变好再变差;这与以往报道的蓝光、绿光LED的阱垒界面随阱个数增加而单调变差的现象不同。出现上述实验现象的原因可能是在高In组分的黄光有源层中,先生长的量子阱缓解了后生长的量子阱的压应力,这部分抵消或补偿了由In涨落随阱个数增加而增强所产生对阱垒界面的破坏作用,从而延迟了最优阱垒界面对应的阱个数。此外,本文用GaN基LED载流子复合的ABC模型与EL数据相结合的方法,定性分析了量子阱的晶体质量,结果表明:当阱个数在5-8之间时,量子阱的晶体质量没有明显区别,当阱个数增加至9时,量子阱的晶体质量才开始下降。本文的研究结果还表明:随着阱个数增加,LED工作电压逐渐减小,这与以往报道的LED的工作电压随阱个数增加而增加的趋势相反,将其原因归结于V形坑增大对空穴注入的促进作用。通过优化量子阱个数,在20 A/cm~2电流密度下,Si衬底GaN基黄光LED的外量子效率提高了~10%,工作电压降低了0.10V。研究了有源层垒厚对Si衬底Ga N基黄光LED的影响。结果表明:随着垒厚增加,低电流密度区,外量子效率明显增加,其原因可归结于垒厚增加改善了量子阱的阱垒界面质量;随着垒厚增加,高电流密度区,LED光效的“droop”现象更严重,其原因可能是垒厚增加增大了量子阱中的压应力;随着垒厚增加,LED工作电压呈现先增大后减小的趋势,其原因可归结于垒厚增加所导致的串联电阻增大与V形坑增大的综合作用。高光效黄光LED在智能照明和可见光通信领域应用潜力巨大。本文的研究结果为本单位获得已知最高光效的黄光LED提供了技术支撑。在20A/cm~2的电流密度下,本单位所研制的主波长为565 nm的GaN基黄光LED的电光转换效率高达21.7%,远高于其他单位文献报道的最好水平9.63%。