准备层及量子阱区生长条件对Si衬底GaN基LED性能影响的研究

发布时间：2020-06-02 22:46

【摘要】：随着LED的迅速发展普及,它已经广泛应用于交通信号灯、大屏显示、城市景观灯、汽车照明和日用照明等领域,并且以GaN为基的LED被认为将取代传统照明(如卤素灯、荧光灯和白炽灯等)成为新一代照明光源。目前,在实际应用中,LED的发光效率会遭遇衰减问题,即“efficiency droop”。同时,在GaN基LED中,存在制约其发光效率提升的两大实际问题,即量子阱有源区存在强极化电场和高位错密度。对高In组分GaN基LED(发光波长520~575 nm)来说,其量子阱受到更大的极化电场。另外,高In组分的InGaN量子阱一般在相对较低的温度下生长获得,并且InN在GaN中可混溶性低,从而会促使更多缺陷产生。可见,上述问题对高In组分GaN基LED发光效率的制约将更为严重。因此,寻找有利于减小量子阱有源区强极化电场和高位错密度以及效率衰退问题的方法,提升高In组分GaN基LED发光效率,正成为科研工作者的研究热点。本文从准备层和量子阱两方面入手研究,针对当今GaN基LED存在的几个重要问题(量子阱区有源区存在强极化电场、高位错密度和LED的效率Droop),采用高分辨率X射线衍射(HRXRD),扫描电子显微镜(SEM),荧光显微镜(FL),二次离子质谱(SIMS),电致发光(EL)等测试手段,探究了不同准备层和量子阱区生长参数及结构对Si衬底GaN基LED性能的影响。本文取得了以下研究结果:1.创新地提出采用SIMS与SEM测试手段相结合的方法来表征GaN基LED全结构中V型坑大小及密度。首先,通过SIMS对LED的p-GaN进行剥蚀至露出MQW即可,然后再利用SEM对其表面进行观测,此方法准确的表征了GaN基LED全结构中V型坑的大小及密度。2.通过在量子阱下方分别插入两组不同厚度的InGaN/GaN超晶格,揭示了超晶格厚度与Si衬底GaN基蓝光LED光电性能之间的关系,即随超晶格厚度增加,样品的反向漏电流加剧;300 K下EL测得随着电流增加,LED峰值的蓝移量随超晶格厚度增加而减少,但不同超晶格厚度的两个样品光强度几乎无差异。使用TEM对两样品微观结构进行了研究,发现具有更大超晶格厚度样品MQW区的穿透位错更少,本文将其归为In GaN/GaN界面数量及体系的应力增加所致。3.讨论了不同超晶格生长温度对Si衬底GaN基绿光LED性能的影响。在常温时,超晶格生长温度较高的样品具有更小的反向漏电流以及更高的发光效率。变温正向I-V曲线表明,较高超晶格生长温度样品表现出更高的正向电压,此现象在低温下(150 K)表现更为明显。对比低温下不同超晶格生长温度器件的效率droop,发现了电子泄漏是低温下器件量子效率droop加剧的主因。4.为了提高LED在绿光波段(520 nm)的器件性能,研究了超晶格应力释放层中不同InGaN/GaN厚度比对Si衬底绿光LED性能的影响。实验表明:样品中均存在两种不同类型的V型坑,形成于起初几个量子阱中的V型坑会导致器件性能的下降。建立了载流子垂直运输模型,较好地解释了LED器件串联电阻随InGaN/GaN厚度比增加而减小的原因。对比CL图像发现,具有较大In GaN/GaN厚度比样品的量子阱发光均匀性更好。5.研究了量子阱阱厚对Si衬底GaN基黄光LED性能的影响。结果表明:当阱厚超过2.3 nm时,MQW中出现大量的大尺寸(微米级大小)In团簇,并且大尺寸In团簇的密度随阱厚的增加而增大。大尺寸In团簇作为载流子的优先通道会使LED漏电流加剧、发光效率下降。另外,变温(300 K)EL结果表明,具有较大量子阱阱厚样品的发光效率表现出更为严重的温度droop,此现象在小电流密度下表现更为显著。6.系统分析了Si衬底GaN基黄-绿光LED中量子阱个数对其性能的影响。研究发现:量子阱个数的变化对外延片表面形貌及MQW的发光均匀性没影响。具有较大量子阱个数的样品表现出更低的正向电压和更为严重的漏电流。另外,随着量子阱个数增加,LED器件EL半峰宽增加,但在大电流密度下,EL半峰宽的增幅减小。常温EQE和LOP结果表明,随着量子阱个数增加,EQE和LOP呈先增加后减小变化。综合实验结果,适合本实验黄-绿光LED的最佳量子阱个数为7个。7.通过对比不同量子阱阱厚的Si衬底GaN基黄-绿光LED性能发现,量子阱阱厚的变化对外延片表面形貌及MQW发光均匀性影响很小,并且量子阱阱厚增加,LED器件的EL峰值波长蓝移程度和半峰宽大小均无明显变化。另外,LED器件EQE随量子阱阱厚增加呈先增加后减小趋势。8.探究了GaN量子垒生长温度对Si衬底GaN基黄-绿光LED性能的影响。结果显示:GaN垒温对LED器件的反向漏电和发光性能有着重要影响,GaN垒温升高明显降低了器件的反向漏电流。LED的发光效率随GaN垒温升高呈先增加后减小变化。通过对比SIMS结果发现,过高的垒温会导致阱垒界面变差。以上研究成果部分内容已发表在Journal of Applied Physics、Chinese Physics Letters以及物理学报上。另有部分待发表。
【图文】：

带隙,直接带隙,纤锌矿结构,材料体系

[7]。图1.1还给出了晶体结构为纤锌矿结构的III族氮化物材料体系的能带带隙。InxGa1-xN 材料体系合金，其在整个合金组分范围内均为直接带隙，理论上涵盖了从紫外光（组分 x=0 即 GaN，带隙为 3.4 eV，波长为 365 nm）到红外光（组分 x=1 即 InN，带隙为 0.7 eV，波长为 1800 nm）的整个可见光范围。上世纪 80年代初期，GaN 基光电子器件的发展突飞猛进[8]，并在随后的数年内取得了重大成果

谱线,量子阱,超晶格结构,超晶格

中会出现势阱和势垒。由于势垒的厚度非常薄，不足以分离两相邻势阱中电子的波函数，因而不同势阱之间的电子的波函数会发生相互交叠；并且势垒厚度很薄，由于隧穿效应，，电子能从一个阱中隧穿至下一个阱中，即阱与阱之间会发生相互耦合。因此，虽然超晶格势阱中电子的能级是分立的，但还是被展宽成具有一定宽度的能带，如图 1.2（b）所示。超晶格一般适用于功率型光电子器件的制备。量子阱是禁带宽度分别为 EgA、EgB的两种材料交替生长而形成多个周期的异质结构晶体材料，当 EgA＞EgB时，称 A 材料的厚度为垒厚 L垒，B 材料的厚度为阱厚 L阱，L垒+L阱为阱垒单个周期的厚度。如果垒厚足够厚，厚至其厚度大于该材料中电子的德布罗意波波长，并且阱的厚度足够薄，薄至其厚度小于该材料中电子的德布罗意波波长，我们将这种结构称之为量子阱。由于量子阱中垒的厚度非常厚，能足以分离两相邻阱中电子的波函数，并且电子不能从一个阱中隧穿至下一个阱中，因此不同势阱之间的电子的波函数不会发生相互交叠与耦合。量子阱阱中电子的能级状态为阶梯态，如图 1.2（a）所示。一般而言，量子阱适合于低阀值，锐谱线光电子器件的制备。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8

【参考文献】