硅衬底GaN基LED因具有制造成本低、封装工艺简单、器件可靠性高等优点,一直吸引着广大学者的研究热情。从2004年第一支实用水平蓝光LED的研制成功,到2013年器件各项光电性能可与主流技术路线媲美,本实验室硅衬底GaN基LED制造技术已日趋成熟。已逐步建立并优化了硅衬底LED外延结构,包括量子阱个数、阱垒周期厚度与掺杂、n型层掺杂、p型层掺杂等主体结构特征。作为有源区的量子阱及其附近结构对于LED器件的光电性能具有决定性作用,本论文以前期研究工作为基础,通过进一步优化量子阱cap层、低温GaN准备层、p-AlGaN电子阻挡层以及p型层等紧邻量子阱的各功能层(在此统称这些功能层为阱区结构)的参数来提升LED器件的光电性能。主要得到了以下结论:1.通过厚度改变,研究了量子垒生长中的cap层厚度对器件光电性能的影响,得出了以下结论:10?cap层样品量子阱In组分更均匀,阱垒界面更清晰;工作电流密度下,10?cap层样品相比于7?样品具有更高的光功率、外量子效率以及更低的工作电压和半峰宽。效率的提升是由于量子阱垒界面变好对载流子能起到更好地限制作用,电压的下降则是由于界面变好同时使得欧姆接触电阻值降低了。因此,我们认为在该实验中10?cap层厚度的量子阱对于提高器件的发光效率和各项光电性能具有积极意义。2.通过改变蓝光LED量子阱准备层中低温GaN的厚度,研究了V-pits大小对于器件光电性能的影响。随着V-pits尺寸的增大,外延薄膜中量子阱内的In组分有所升高,量子阱应变明显变小,驰豫度显著增大;V-pits尺寸越大,工作电流密度下光功率和外量子效率越高,效率衰减越小,工作电压越小,漏电流越小。这主要得益于V-pits具有屏蔽位错和增加空穴注入的作用。同时我们注意到,漏电现象随着V-pits尺寸的继续增加出现由降低到升高的转折,主要是由于V-pits对位错的屏蔽作用和V-pits增大会新增缺陷这两种因素竞争的结果。硅衬底GaN基LED器件具有易于散热、电流扩展好的优点,因而我们制得器件的可靠性都很高,选取合适大小的V-pits尺寸可以进一步减小老化光衰。3.通过制备含有大V-pits的绿光LED器件,研究了量子阱后p-AlGaN电子阻挡层(EBL)厚度变化对器件光电性能的影响。随着电子阻挡层厚度的增加,器件漏电得到了明显抑制,工作电流密度时的EQE增加,效率衰减现象得到缓解。这是由于V-pits侧壁更厚的势垒,有效阻挡了电子泄漏。低电流密度时,随着EBL厚度增加,外量子效率先下降再升高,主要是受辐射复合效率增加和空穴注入效率降低两种因素共同影响。继续增加EBL厚度时,由于有效空穴注入不足,外量子效率会降低,效率衰减现象变得更严重。因此,在本实验中我们认为40nm p-AlGaN EBL有利于提升绿光LED器件各项光电性能。4.通过设计不同的外延结构,研究了量子阱后P型层厚度对硅衬底GaN基蓝光LED器件光电性能的影响。P型层减薄后的样品在工作电流密度下具有更高的光输出功率、发光效率和更低的工作电压,同时,反向漏电情况也得以改善。主要是由于P型层减薄区域更有利于空穴的注入,使得辐射复合增加,串联电阻减小。