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随着光效的不断提升,GaN基LED在固态照明、显示等领域获得了广泛应用,为全球节能减排作出了重大贡献。根据美国能源部最新的LED效率提升计划,红、黄、绿、蓝各色LED的电光转换效率最终都要达到86%。目前各色LED光效与目标值均有差距,尤其是受制于“绿光鸿沟”问题的黄绿波段,差距巨大。在解决“绿光鸿沟”方面,近年来南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心取得了很大进展,研发的硅基绿光LED(520 nm)电光转换效率超过45%(20 A/cm2),硅基黄光LED(565 nm)电光转换效率接近30%(20A/cm2),达到国际领先水平。然而与最终目标相比,光效还有很大提升空间。本文在国家硅基LED工程技术研究中心的技术平台以及对V形坑机理已有认识的基础上,通过改变含V形坑硅基LED的有源区结构,研究了载流子输运和复合的调控方法与机理,逐步形成了“疏堵结合、加强阱间交互”的载流子调控思路,藉以提升载流子在有源区中的利用率,提升器件内量子效率,改善效率droop,并设计了与之对应的有源区新结构。取得的主要研究成果如下:1.通过对比有无V形坑的硅基绿光LED样品发现,在n-GaN上生长InGaN/GaN多量子阱(MQWs)时,单纯在n-GaN与MQWs之间插入InGaN/GaN超晶格准备层不足以弛豫InGaN量子阱所受的压应力,还需要形成较大尺寸的V形坑。V形坑可以促进InGaN量子阱中In原子并入并获得陡峭的阱垒界面。在不形成V形坑的情况下,InGaN量子阱所受的压应力难以弛豫,产生相分离,表面变粗糙且阱垒界面变差。2.V形坑可以显著增强空穴注入到MQWs的效率,降低器件正向工作电压,提高器件发光效率。100K时,在含V形坑的样品中观察到了超晶格量子阱的发光峰,说明空穴可以通过V形坑侧壁注入到n侧的超晶格中与电子发生复合,在超晶格准备层中插入n-AlGaN作为空穴阻挡层可显著抑制空穴泄漏。而对于无V形坑的样品,在100K时,观察到了电子泄漏到p层与空穴发生复合的特征峰。两者对比可以确认V形坑有增强空穴注入效率的作用,且电子泄漏是由于空穴注入效率差所致。3.创新性地将InGaN/GaN MQWs有源区按照功能划分为载流子限制阱和载流子发光阱,其中限制阱分布在靠近n侧区域,发光阱分布在靠近P侧区域。限制阱具有比发光阱更大的禁带宽度,在起到将载流子限制在发光阱中的同时,还能够减少对发光阱所发光的吸收。实验证实了在含V形坑的多量子阱有源区中,靠近P侧的末阱对器件发光贡献不大,参与发光的量子阱主要集中在靠近p侧的倒数第二、三、四量子阱中。4.在上述研究结果的基础上,提出了“疏堵结合、加强阱间交互”的载流子调控思路,创新性地设计了由载流子发光阱和载流子限制阱混合而成的新型类三明治有源区结构。在此结构中,合理尺寸的V形坑与适当厚度、组分的AlGaN电子阻挡层结合可以“疏导”空穴通过V形坑侧壁注入到发光阱中,而限制阱则可以将载流子“堵截”在发光阱中,提升发光阱中载流子浓度;适当减薄发光阱对应的量子垒厚度,可以保证在不降低量子阱晶体质量的前提下,增强载流子在发光阱间的交互作用,提升载流子在发光阱中分布的均匀性。实验结果表明,以上设计可显著提升器件大电流下的EQE,降低效率droop。基于此类三明治有源区结构,获得了 20 A/cm2下,EQE达41.6%的528nm硅基绿光LED(2016年11月获得),相关研究结果在ACS Photonics上发表。5.利用ABC+f(n)模型研究了 Si衬底GaN基LED在不同电流密度下载流子非辐射复合机制以及对器件光效的影响。结果表明:(1)在小电流密度下,载流子在缺陷能级处发生非辐射复合,载流子寿命变短,Shockley-Read-Hall(SRH)复合项An明显增加,EQE严重下降。随着注入电流增加,SRH复合逐渐饱和,在大电流下对EQE的影响可忽略不计。(2)导致样品在大电流下EQE下降,效率droop增大的主要原因是电子泄漏,此结论被低温电致发光光谱中观察到电子泄漏峰证实,同时也被ABC+f(n)模型中电子泄漏项Dn4明显增加所确认。(3)电子泄漏的成因主要来自于空穴注入效率的降低,通过调节外延结构提升空穴注入效率以及加强载流子阱间交互是抑制电子泄漏的有效途径。6.研究了量子垒掺Si个数对硅基黄光InGaN/GaN MQWs载流子分布及光效的影响。结果表明:(1)量子垒掺Si可以显著阻挡空穴注入到更深的量子阱中。在低温下,空穴具有更大的动能,在受到电子阻挡时会部分经由V形坑侧壁注入到靠n侧的量子阱中,在大电流下甚至可泄漏到超晶格准备层中。(2)量子垒掺Si个数太少会导致参与复合的电子浓度不足,降低器件光效;掺Si个数太多会导致电子和空穴在靠近P侧的量子阱中载流子浓度降低,削弱辐射复合速率,降低器件光效。仅在靠近p侧的倒数一到两个量子垒不掺杂时,电子和空穴在靠p侧的少数几个量子阱中具有最佳的匹配度,载流子辐射复合速率和器件光效显著提升。以上研究成果部分内容已发表在ACS Photonics、Journal of Luminescence、Superlattices and Microstructures、Chinese Physics B 以及 Chinese Journal of Luminescence上,得到同行专家的认可。本文所提出的类三明治有源区结构已被国家硅基LED工程技术研究中心采纳,并在硅基绿光LED的生产中取得实质性效果。本文研究结果对硅衬底GaN基含V形坑LED的外延结构、光电性能以及器件物理的研究具有参考价值与积极意义。