Si衬底上大功率GaN基LED的外延结构设计与器件制备

发布时间：2020-10-19 11:57

　　 GaN作为第三代半导体材料,具有宽能带间隙、高电子迁移率以及高导热性等优异特性,基于GaN材料的蓝光LED引领了半导体照明技术的第三代革命。LED未来的发展方向是低成本、大功率和高性能。Si衬底具备成熟的制造工艺、低廉的制备成本和大尺寸衬底易获得和导热率高等优点,在大尺寸衬底上的LED外延方面具有巨大优势,特别适合制造大功率、低成本的GaN基LED。迄今,Si衬底上的LED制备技术已经取得重大的突破,但依然在外延结构设计、机理研究等方面存在一系列的基础问题,制约着Si衬底上大功率GaN基LED性能的提升。如何设计新型的LED外延结构,抑制大电流下的Efficiency droop现象是Si衬底上大功率LED的重点研究方向。为此,本论文围绕Si衬底上大功率GaN基LED结构设计以及芯片制备展开研究,取得的主要成果如下:首先,建立了 Si衬底上GaN基LED的理论计算模型并写入应力状态。利用该模型研究了外延层整体的应力状态对LED光电物理过程的影响,发现适当增大n-GaN层的张应力有利于减小异质界面处的极化电荷密度,使得量子阱区域的倾斜能带变得平坦,有利于削弱量子阱内的量子限制Stark效应(QCSE),增加载流子的注入和辐射复合系数。进一步地,将模拟结果用于指导实际的外延结构设计,通过设计底部缓冲层的结构将Si衬底上的GaN基外延材料调控为张应力状态,使得LED的正向电压减小了0.07 V,实际光输出功率提升了21.96%,验证了模拟的准确性并为后续采用更进一步的应力调控手段提供了理论基础。其次,利用Si衬底上的GaN基LED的理论计算模型研究了 InGaN量子垒的In组分对载流子输运的影响。发现在GaN量子垒中掺入合适组分的In原子让量子垒的能带间隙降低,使得量子垒能带整体的势垒减小,有利于电子和空穴向量子阱的注入,量子阱内的载流子浓度可提升约32%。为了进一步释放量子阱内的压应力,通过低温生长InGaN垒层获得了弛豫型的多量子阱,阐述了InGaN量子垒进行降温生长能够促进量子阱发生弛豫的机理,并且通过实际的实验生长实现了量子阱弛豫度的控制,协调了 QCSE削弱与晶体质量变差的关系,使得LED的光电性能得到改善,提升幅度达19.69%。再次,采用了 AlInGaN EBL替代传统的AlGaNEBL并且以理论计算和实际实验相结合的方式系统研究了 EBL的In组分对载流子向量子阱中注入过程的影响,得到了合适的In组分区间,大幅度抑制了 EBL处的极化电场,使得EBL的能带变得平坦,在不减弱电子限制能力的前提下提高了空穴注入率。同时,还设计了 p-GaN/InGaN异质结构,研究了异质结在导带和价带上的能带不连续现象,发现了异质结在价带上形成的势阱有聚集空穴的效应,提高了异质结到EBL之间的区域的平均空穴浓度,有利于加强空穴向量子阱的注入。由于空穴注入的加强,量子阱中电子与空穴浓度不匹配的现象得以缓解,降低了电子发生泄露的几率,有利于抑制Efficiencyd roop现象。最后,将Si衬底上的LED外延片制备成尺寸为1 mm×1mm的大功率垂直结构LED芯片。制备的具有优化外延结构的Si衬底上垂直结构LED芯片在70A/cm2电流密度下的运行电压为2.97 V,相比具有普通外延结构的Si衬底上垂直LED芯片LED减小了0.49 V。而在70 A/cm2的电流下的光输出功率为988.70 mW,提升超过35%,这证明了外延结构设计对LED光电性能的显著提升。更为重要地,在70A/cm2的电流密度下,具有优化的外延结构的LED垂直芯片与未经优化的LED垂直芯片的光电转换效率分别为47.5%和30.0%,其对应的droop值分别为33.7%和43.3%,证明对Si衬底上的GaN基LED的一系列外延结构能够提高大电流密度下的发光效率,削弱Efficiency droop效应,适用于大功率的LED芯片。本论文提出了“整体+局部”的外延结构设计方法,通过对底部缓冲层、含InGaN垒的弛豫型量子阱、AlInGaN四元合金EBL和p-GaN/InGaN异质结的结构设计,成功实现了对量子阱区域压应力的释放,增强了量子阱内的载流子注入和辐射复合,最终制备出了具有优异性能的垂直结构LED芯片,为Si衬底上高质量Ⅲ族氮化物材料外延生长及器件制备提供了重要的指导。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM923.34
【部分图文】：

ａＮ基ＬＥＤ的基本外延结构??灯具或灯珠的心脏，也就是能够发光的核心部分，是一块尺寸很小的片粘附在一个起到支撑作用的支架上，一端是负极，另一端连接电源用树脂封装。ＬＥＤ芯片由ＬＥＤ外延片切割而得到。目前，ＬＥＤ基了衬底、ｎ型掺杂层、有源层（多量子阱）、电子阻挡层和ｐ型掺杂层。??称基板，即是用于外延层生长的基板。外延生长，是指在单晶衬底与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。衬底的两个方面。其一，衬底起晶体模板的作用。在ＬＥＤ外延生长中（以ＧａＮ要外延生长ＧａＮ层，从结晶学角度出发，ＧａＮ的外延生长需要与其模板，使ＧａＮ能够按照纤锌矿或闪锌矿的晶格进行生长。其二，衬

度不均匀［７２］。这部分载流子的损失称为外部损失。??以上因素涉及到ＬＥＤ中载流子输运和有源区内载流子复合两大过程，相关的联系可??参照图１－３。综合考虑以上因素，ＩＱＥ可以表达为：??ＩＱＥ＝???￣￣?ｊ?７??Ａｎ?＋?Ｂｎ２?＋?Ｃｗ３?＋?ｋ｛ｎ?—?）ｍ?＋?ｙ??（ｉ－４）??其中，儿５和Ｃ分别是ＳＲＨ复合、辐射复合和俄歇复合系数，心是载流子泄露电流，??是量子阱区域的有效体积。则表示载流子区域化而产生相关载流子的损失。??？〇是载流子去局域化发生的载流子浓度阈值而ｍ是不同程度的载流子区域化的阶数。??通过公式（１－４），造成Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｒｏｏｐ的各种机制及相互之间的关系被厘清，可以用??作评价Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ?ｄｒｏｏｐ行为的理论模拟的基本公式。??１４??

Ｃｕｒｒｅｎｔ?ｄｅｎｓｉｔｙ?（Ａｃｍ＊２）??图１－５垒层厚度为１２ｎｍ、３ｎｍ的ＬＥＤ的归一化ＥＬ强度和外量子效率［９１］??Ｆｉｇｕｒｅ?１－５?Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ?ＥＬ?ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ?ａｎｄ?ｒｅｌａｔｉｖｅ?ＥＱＥ?ｏｆ?ｔｈｅ?ＬＥＤ?ｗｉｔｈ?ｂａｉｒｒｅｒｓ?ｏｆ?１２ｎｍ?ａｎｄ??３ｎｍ?ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ??（３）减小极化强度??ｃ面纤锌矿结构的ＧａＮ基外延材料中存在着强烈的极化效应，会引入显著的极化电??场［９２＿９５］。由于极化电场的存在，ＬＥＤ的能带结构会发生弯曲，因而载流子的输运过程会??发生改变，特别地，电子泄露会变得更加容易。Ｌｉｎｇ等人在生长了具有不同极性的ＧａＮ??基ＬＥＤ用以探宄极化电场对ＬＥＤ性能的影响。他们准备了两种极性的样品，分别是ｃ??面蓝宝石、ｍ面的ＧａＮ衬底上的具有六个周期的多量子阱ＬＥＤ［９６］。图ｌ－６（ａ）为加载了??正向工作电流条件下，两个ＬＥＤ样品的能带图。结果显示，ｃ面蓝宝石衬底上生长的??ＬＥＤ样品的能带发生了明显的弯曲，ｎ掺杂区域的能带相比于ｐ掺杂区域的能带上翘，??使得靠近ｎ掺杂区域的量子阱的能带比靠近ｐ掺杂区域的量子阱的能带还高，这说明在??电子会集中分布在靠近ｐ掺杂区域的数个量子阱层中
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本文编号：2847166