GaN基黄绿光LED光效提升方法研究

发布时间：2020-09-02 11:06

　　近年来,发光二极管(LED)由于尺寸小,高效节能,绿色环保寿命长等优点,越来越受到人们的关注,被广泛用于显示屏、固态照明等领域。而以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ-Ⅴ族材料具有较宽的禁带宽度,较大的载流子迁移率,稳定性高,抗辐射能力强的特点,成为制备发光二极管的基础。随着科技的发展,GaN基发光二极管的研究已经取得了长足的进步,然而还是存在一些问题制约着LED行业的发展,比如由于异质外延产生的晶格失配,由于极化电场引起的量子限制斯塔克效应,在大功率情况下的效率下降现象等。本文针对黄绿光波段的发光二极管开展了一系列研究工作,主要通过优化结构以及生长条件来探究提高器件性能的可能性。本文首先根据InGaN材料的特性设计了低温p-GaN过渡层与超晶格电子阻挡层结构,研究了在量子阱有源区后插入低温p-GaN过渡层与超晶格电子阻挡层对LED光电性能和效率下降现象的影响。使用仿真软件APSYS进行模拟计算,结果表明,与传统的LED结构相比,使用新结构后能很好的缓解晶体内部尤其是有源区附近的极化电场,增强空穴注入效率,同时更好的阻挡电子泄露,提高电子空穴复合效率,从而提高发光性能。同时,实验结果表明,插入低温p-GaN过渡层后,能对量子阱有源区起到很好的保护作用,改善样品的结晶质量,减少晶体内部的位错数量,同时超晶格电子阻挡层的使用能够进一步提升器件的光电性能。与传统结构的LED相比,采用新结构的样品在100mA激励电流下发光强度提升了41.9%,同时效率下降现象也得到了缓解。实验结果与仿真结果基本匹配,说明我们设计的结构能切实可行的改善LED的光电特性。同时考虑到量子阱对器件性能具有很大的影响,我们进一步设计了实验探究量子阱生长的最优方案。我们设计了三组实验分别探究了垒层生长温度,垒层生长厚度以及阱层生长厚度对器件性能的影响。垒层生长温度直接影响着阱垒界面性能,在某一特定温度下生长的垒层能很好的保护阱层并缓解组分波动。阱层与晶体内部的极化电场以及量子阱对载流子的限制效应有关,因此厚度也对发光性能有着很大的影响,随着阱层变薄,量子限制斯塔克效应能得到缓解,而电子泄露的风险增大,当阱层厚度为某一特定值时,样品整体的发光性能和耐压特性都相对较好,综合特性最佳。垒层厚度对晶体的结晶质量也有影响,在特定垒层厚度下生长的样品,晶体内部的螺位错与刃位错密度相对较小,结晶质量更好,非辐射复合中心更少,电子空穴复合效率更高,发光效率也更高。我们从阱垒界面性能、晶体结晶质量、量子阱对载流子的限制作用、材料内部组分波动等方面分析了量子阱生长因素的改变对LED器件综合性能的影响,找到了最优的量子阱生长方案,从而获得了相对器件性能最优的LED。通过软件仿真以及实验,本文给出了提高量子阱中空穴注入效率以及提高结晶质量的有效措施,提升了LED器件的发光效率,缓解了效率下降现象,为进一步改善黄绿光LED性能给出了一定的方向。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN312.8
【部分图文】：

晶体结构,岩盐结构,锌矿,闪锌矿结构

1.晶体结构GaN 基化合物半导体具有三种结构，如图 1.1 所示，分别为闪锌矿结构（立方相锌矿结构（六方相）以及岩盐结构（NaCl 型复式立方结构）。

纤锌矿结构,布里渊区,第一,直接带隙半导体

第一章绪论5图1.2 纤锌矿结构的第一布里渊区能带理论通过定性的阐明电子运动的特征，很好的说明了导体、半导体与绝缘体的区别。固体材料的能带图一般由多条能带组成，包括导带，价带，禁带，我们将导带与价带的空隙成为能隙。常见的金属材料的带隙一般较窄，绝缘体带隙较宽，半导体的带隙介于导体与绝缘体之间。GaN 材料就是典型的直接带隙半导体材料。直接带隙半导体与间接带隙半导体最大的区别在于在于导带底与价带顶是否具有相同的波失 k,常见的直接带隙半导体有 GaAs、GaN、InP 等。直接带隙半导体中，电子跃迁时不需要吸收或释放声子，而在间接半导体中需要。直接带隙半导体中，直接复合的形式能够将能量全部以光能形式释放，这也是直接带隙半导体是制作光电子器件的首选材料的原因。纤锌矿 GaN 的理论计算能带结构[27,28]如图 1.3 所示。从图中可以看出，在Γ 点时价带到达最高点导带处于最低点

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而在间接半导体中需要。直接带隙半导体中量全部以光能形式释放，这也是直接带隙半导体是制作光。纤锌矿 GaN 的理论计算能带结构[27,28]如图 1.3 所示。从到达最高点导带处于最低点，因此 GaN 是直接带隙半导

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