GaN基RCLED的研究

发布时间：2020-05-31 20:26

【摘要】：GaN材料作为一种宽禁带半导体材料、相比于其他半导体材料具有许多突出的特点比如高电子漂移饱和速度、良好的导热性能、化学稳定性高,这是如此得到了快速的发展和被广泛应用于各个领域。目前针对LED器件,研究的主题聚焦于高亮度、大功率、高效率和高可靠性等方向。而GaN基谐振腔二极管(RCLED)具有高亮度、高效率、光谱线宽窄、温度稳定性高、发射方向性良好、高带宽、制作成本低等诸多优点,在照明、传感、可见光通信等领域具有广阔的应用前景。RCLED是普通LED和垂直腔面发射激光器(VCSEL)—个很好的折中和选择。随着对RCLED研究的不断深入,其性能得到了不断的提高,由于自身结构的特殊性,还有许多值得提高的地方。全面理解和掌握器件性能随着谐振腔结构的变化规律,提高器件的发光效率,提高器件的光功率,以及降低工作电压等已成为研究的重点。本文围绕GaN基RCLED的研制,在谐振腔理论分析、结构设计、器件制作、性能测试等多方面进行了分析和研究。本文的主要研究工作总结如下:1.器件结构设计与分析:从理论上对谐振腔的概念、微腔效应进行了详细的说明。讨论了两个重要的参数,谐振波长处的光谱增强因子Ge和整体辐射增强因子Gint,及其与谐振腔中上下反射镜反射率之间的关系,并进一步对提取效率增强值与上下反射镜反射率之间的关系进行了相关理论计算和模拟。2.器件的制备:利用电镀和激光剥离技术在铜衬底上制备了 GaN基RCLED,采用了 Ti02/Si02介质分布布拉格反射镜(DBR)和金属铝分别作为上下反射镜。为了进一步研究顶部DBR反射率对效率等器件特性的影响,设计了三种顶部DBR结构分别为2对、3对及3.5对Ti02/SiO2DBR。3.器件性能测试与分析:与没有上DBR反射镜的传统LED相比,由于谐振腔效应,RCLED器件的性能得到了改善。通过调整上DBR的反射率,获得了最佳DBR器件,其顶部DBR反射率为55%,器件最大输出光功率为62mW,外量子效率为14.8%,半高宽为12nm,半强度角为122°,f.3dB调制带宽为48MJHz。此结果表明,优化反射镜设计对于未来高性能器件应用有着很好的前景。
【图文】：

原理图,基本结构,原理图

邋＾邋Ｓｆｈ、逡逑图１．１邋ＲＣＬＥＤ基本结构原理图逦图１．２首只ＲＣＬＥＤ图片逡逑１．２ＲＧＬＥＤ的发展历史与应用逡逑在２１世纪９０年代早期，光学谐振腔的结构被引入到了邋ＬＸＤ的设计中，使逡逑得ＬＥＤ的发光效率和光功率都有很大程度的增加。１９９２年，贝尔实验室Ｓｃｈｕｂｅｒｔ逡逑等人根据Ｆ－Ｐ腔的概念构造出了一种新型ＬＥＤ结构一共振腔发光二极管，第一逡逑次在ＧａＡｓ材料系实现［８］，并提出把ＲＣＬＥＤ用于通信领域，如图１．２所示为首只逡逑ＲＣＬＥＤ照片。在１９９５年，Ｄｅ邋Ｎｅｖｅ等人制作出来第一只发射波长为９８０ｎｍ的且逡逑效率为２３％的ＲＣＬＥＤ１９１。在１９９９年，通过Ｗｉｅｒｅｒ的优化，其外景子效率能够达逡逑３逡逑

示意图,蓝光,基本结构,示意图

是介质膜ＤＢＲ不导电，电流无法从器件上下两端导通，在工艺上需要作出改变，，逡逑比如利用键合技术和激光剥离技术，将ｎ电极和ｐ电极放置在器件的同一侧。一逡逑般的蓝光ＲＣＬＥＤ的结构原理图如图１．３所示。另外，对于在蓝宝石基底上生长逡逑得到的ＧａＮ基ＲＣＬＥＤ，横向电流往往会引起电流拥挤效应，通过使用铟锡氧化逡逑物（ＩＴＯ）作为电流扩展层，使电流能够在横向方向均匀地扩散。一种方法是利逡逑用激光剥离技术去除蓝宝石衬底和衬底转移技术制备垂直结构的ＲＣＬＥＤ，为了逡逑能够使光产生谐振，需要通过抛光或刻蚀工艺来控制样品的厚度。另外相对简单逡逑的一种方法是使用电流限制结构，其主要包括氧化硅／氮化硅绝缘层、肖特基势逡逑垒或者通过选择性氧化或等离子体处理形成的高电阻区域的方法。例如２０１４年逡逑的台湾科技大学光电工程研究所通过扩散工艺制备了出５｜＾ｍ硅限制型结构的逡逑ＲＣＬＥＤ［２４］，如图邋１．４邋所示。逡逑ＤＢＲ逦ｐ－ｔｙｐｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逡逑ＩＴＯ邋ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ邋ｃｏｎｔａｃｔ＾＾逦ｉｎｓｕ｜ａｈｎｇ邋｜ａｙｅｒ逡逑Ｐ－ＧａＮ逦■邋｜ａＧａＮ邋ＭＱＷｓ逡逑Ｎ－ｔｙｐｅ邋ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ逦—邋ｐｉａＳ邋一邋雪逡逑．邋二）■：．…邋，篇逡逑0ＢＲ邋｜＾＾ｔｅ
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8

【参考文献】