硅衬底GaN基绿光LED光电性能及电老化可靠性研究

发布时间：2020-09-08 16:01

　　 GaN基LED因为其耐潮、耐震、寿命长、节能环保和色度饱满等优势,在绿色照明和微电子等领域中的应用越来越普遍,其市场日益受到研究者们的重视。尤其在高品质显示、照明等应用中,现有蓝光激发荧光粉的白光LED照明存在蓝光占比过大、青光缺失、红光不足等问题,高品质无荧光粉全光谱LED照明技术必将是LED照明的主流。高品质无荧光粉全光谱LED一般是由多基色LED组成。其中,GaN基蓝光LED的EQE高达80%以上,而绿光LED相比较蓝光LED,却只有40%左右。主要是因为“Green Gap”(黄绿鸿沟),也就是在波长500nm-580nm之间,发光效率相比其他颜色的光低,这也是最近研究者们一直努力要解决的问题。除了其发光效率低的问题之外,其低可靠性也严重局限了其在显示等方面的应用。因此绿光作为无荧光粉LED中的重要组成部分,有必要对发光效率以及可靠性进行研究。本论文研究了发光量子阱个数,p-AlGaN电子阻挡层厚度等参数对绿光LED光电性能的影响,除此之外还研究了Si衬底GaN基绿光LED器件的电老化可靠性及其失效机理,主要取得了以下研究成果。1.研究了不同发光量子阱个数对绿光LED光电性能的影响。结果表明,随着绿光量子阱数从5个增加到9个,AFM图像中出现V形坑,导致反向漏电流增大。同时,对于量子阱个数的增加,大电流密度下,外量子效率(EQE)先升高后降低。这些现象与V形坑的尺寸以及由此引起有源区电子和空穴的分布有关。本论文绿光LED结构的最佳阱个数为7。2.研究了具有不同p-AlGaN厚度的含V形坑结构的绿光LED的光电特性。研究发现,电子阻挡层厚度对载流子运输尤其是空穴运输有重要影响。在低温和高电流密度下观察到两个侧边峰,这是由InGaN/GaN超晶格以及在LED结构中靠近n层的绿光多量子阱的发射。更厚的p-AlGaN,不仅可以屏蔽穿透位错,而且还能辅助空穴注入到更深的量子阱中,从而提高了器件的量子效率,改善了ESD性能。3.研究了同一外延结构绿光LED的电老化机理,分析了NH_3浓度变化对绿光LED电老化性能的影响。结果表明在较高的NH_3浓度氛围下生长的量子阱存在更严重的In偏析,会导致更大的光衰和漏电流。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN312.8
【部分图文】：

交通灯,信号灯,发光效率,绿光

第1章综述1 引言GaN 基 LED 因为其耐潮、耐震、寿命长、节能环保和色度饱满等优势，在色照明和微电子等领域的应用越来越普遍，如信号灯（指示灯，交通灯）、各显示（广告招牌、户外大屏幕显示）、汽车车灯、景观照明等市场日益受到研者们的重视[1,2]。其中单色 GaN 基绿光 LED 主要应用在各种显示（显示屏、栏管等）、信号灯（指示灯、交通灯等）。目前 GaN 基蓝光 LED 发光效率在年来有了很大的提升,EQE 高达 80%以上,而绿光 LED 却不到 40%[3,4]。从图中可以更清楚地看到在可见光波段不同体系材料制作的 LED 在不同波段的光效率的对比，无论是InGaN体系材料还是InGaAlP体系材料在所谓的Greenp——“黄绿光缺失区”,也就是在波长 500nm-580nm 之间，发光效率相比较其颜色的光都很低，这也是最近研究者们一直努力要解决的问题[4-6]。

关系图,光功率,关系图,绿光

.2 所示[4]。而如今，三基色甚至五基色的混光获得的白光 LED 比传统具备竞争力：不会产生额外的能量损耗(如斯托克斯损耗)，显色指数高率快等优势。因此，针对绿光效率低下的问题，更迫切需要解决。一为了获得长波长的绿光发射波长，通常会考虑两点，一是量子阱厚度 In 的组分。经过研究，目前普遍是通过提高 In 组分来达成目的。提往往是通过降低量子阱的生长温度来获得，这样势必会带来一系列其比如引入更多的点缺陷，掺杂和 V 型缺陷[33]。缺陷所带来的影响是毋，它在量子阱结构中形成非辐射复合中心，通过捕获载流子导致光子，从而降低绿光 LED 的发光效率。而且，通过增加 In 组分也会加重导致 In 组分分布不均匀，也会降低 LED 的发光效率。再者，从极化高 In 组分带来大应变，而应力增大，极化场也增大，那么电子空穴对离也会减弱载流子辐射复合的效率。而且考虑生长条件，In 组分的增加来就需要适当地降低生长温度，但生长温度的降低亦会降低晶体质量素的存在都是提高绿光发光效率的阻碍，要想获得高光效的绿光 LE削弱甚至克服这些困难，不让其进一步影响 LED 芯片的发光效率。

电致发光光谱,变温,量子阱

第 1 章综述1.3.1.1 量子阱/垒生长温度/气体环境/结构参数的优化早期蓝光 LED 的量子阱 InGaN/GaN 阱垒层在生长时一般是采用同样的温度生长量子阱和量子垒。但是在高温生长中，In 组分容易分解，不容易并入量子阱有源区，因此要获得高 In 组分的 InGaN 量子阱，就必须降低量子阱的生长温度，这也就意味着要获得高质量的量子阱，其阱温和垒温不会相同，否则过低的垒温导致其晶体质量差，达不到修复量子阱的作用。因此，针对此问题L.W.Wu 等人研究发现阱垒采用不同温度来生长量子阱垒可以提高绿光 LED 的光效，如图 1.3 所示[34]。用该方法制备出来的绿光 LED 与同温度生长阱垒相比，LOP 有显著的增加，从图 1.3 可以看出 300K 下的 EL 强度，阱垒变温要比阱垒同温高出了 86%。尽管光效有所提高，但高温长垒对 InGaN 量子阱的影响不可避免，于是 2007 年，Ju 等人利用一层薄薄的 GaN 盖层来保护 InGaN 量子阱不被高温破坏[35]，有效改善了阱垒之间的界面。

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