三维阵列及V形坑提升GaN基LED光电性能的研究

发布时间：2020-11-15 06:51

　　 GaN基LED具有能耗低、发光效率高和寿命长等优点,在固态照明、信号灯和大屏显示等领域得到了广泛的应用。然而平面GaN基LED存在全反射和Fresnel反射现象,导致平面GaN基LED的光提取效率极低,提高GaN基LED的光提取效率是制备高性能LED的目标之一。与平面LED相比,三维(3D)结构LED的3D阵列可增加光提取效率,进而调控LED光电性能。另外,研究表明,V形坑中侧壁量子阱可提高V形坑附近c面量子阱的发光性能。本论文利用聚焦离子束(FIB)刻蚀技术制备了纳米柱3D LED、条形和方形3D LED芯片。研究了3D LED的光电性能,采用3D-FDTD算法分析了光导模在3D阵列中的耦合传输模式,阐述了3D阵列提高LED光提取效率的机制;研究了V形坑附近载流子在不同温度下的传输复合机制,分析了V形坑调控LED光电性能的物理机制。主要研究内容和结论如下:1.通过FIB刻蚀技术在GaN基LED表面制备了周期性良好的纳米柱3D LED。LED表面经高能FIB轰击后,存在大量的缺陷和污染,导致3D LED的光致发光(PL)强度降低。通过KOH腐蚀技术去除纳米柱表面损伤层,腐蚀后的3D阵列表面和侧面更为平整,3D LED的微区PL强度较平面LED提高了15.7%,峰值波长蓝移0.6 nm。结合PL和3D-FDTD模拟结果表明:在应力释放、纳米谐振腔耦合和光子晶体衍射的共同作用下,3D LED的发光性能得到了提升。2.通过FIB刻蚀技术制备了方形3D LED芯片,研究了刻蚀束流、KOH腐蚀时间和刻蚀深度对3D LED芯片光电性能的影响。结果表明:刻蚀束流增大,3D阵列的侧壁粗糙度增加,芯片的光电性能下降;KOH腐蚀时间为5 min时,3D LED芯片的光电性能最优;随着3D阵列刻蚀深度增加,芯片的光电性能逐渐下降。分析原因为:束流增大,3D LED芯片的漏电通道增加,辐射复合效率降低;在KOH腐蚀5 min时,最佳的去除了3D阵列的刻蚀产物和表面损伤层,表明利用FIB刻蚀技术制备3D LED芯片是一种便捷可行的方法;结合FDTD模拟结果,随着3D阵列刻蚀深度增加,降低了光导模被3D阵列提取至空气中的几率,引起3D LED芯片的光提取效率的下降。3.通过FIB刻蚀技术制备了条形和方形3D LED芯片,探究了平面和3D LED芯片的光电性能,阐述了方形3D LED芯片光电性能提高的机制。条形3D LED芯片的光输出功率低于平面LED芯片,主要是由于3D LED芯片刻蚀面积过大,载流子注入效率降低;方形3D LED芯片和平面LED芯片具有基本相同的I-V特性;注入电流为20 mA时,方形3D LED芯片的光输出功率比平面LED芯片提高了17.8%,垂直方向的角分辨EL强度比平面LED芯片提高了17.1%,光输出功率和角分辨EL结果基本吻合。结合3D-FDTD算法模拟得到:方形3D LED芯片暴露的侧壁量子阱增加了光子的逃逸几率,提高了光提取效率。4.通过微区变温PL研究了V形坑附近c面量子阱的光致发光特性。微区变温PL结果表明,随温度升高主峰发光峰峰形产生较大展宽并且峰位出现快速蓝移现象。此现象主要归因于在V形坑附近c面量子阱中,随温度升高载流子迁移率提高,使得更高比例的载流子产生较高能量的跃迁辐射,在此过程中,限制在侧壁量子阱中的载流子由于获得足够的热能而传输到V形坑附近c面量子阱中的这一特殊机制起着关键性的作用。依据V形坑中电子阻挡层和p-GaN的高电阻以及侧壁量子阱的高势垒特性调控V形坑尺寸。随V形坑尺寸增加,更高比例的空穴电流可安全输运至c面量子阱;同时空穴注入面积和注入深度增加,进而LED芯片的光电性能得到提升。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN312.8
【部分图文】：

太原理工大学博士研究生学位论文(111)等异质衬底上进行外延生长。闪锌矿为立方对称结构，常温下以亚稳定相存在，通常在 Si (001)等立方结构衬底上外延时能稳定存在。NaCl 结构较为罕见，只有高压（500GPa）时纤锌矿结构 GaN 晶体才能转变为 NaCl 结构。纤锌矿和闪锌矿结构的差别在于原子的堆积方式不同。前者沿 c 轴<0001>方向按 ABABAB……的顺序堆垛，后者沿<111>方向按 ABCABCABC……的方式堆垛。

图 1-2 GaN 的晶体结构：(a) Ga 极性面；(b) N 极性面[31]hematic drawing of the crystal structure of wurtzite (a) Ga-face and (b) N-face Ga理性质LED 多为纤锌矿结构，表 1-1 列出了常见 GaN 晶体的基本参数。表 1-1 GaN 基本性质Table 1-1 The basic properties of GaN.纤锌矿结构 GaN 闪锌矿结构 GaNC46v-P6ymc Td-43m 8.9×10228.9×10220） 600K 600Kg）3.39eV（300K）3.2-3.3eV（300K）3.50eV（1.6K）dEg/（dT）= 6×10-4eV/K

太原理工大学博士研究生学位论文一，禁带宽度较 c 面量子阱大。由于较大禁带宽度的侧壁量形成势垒，因此阻挡了载流子被位错处的非辐射复合中心捕角锥台表示侧壁量子阱的势垒，此高势垒阻挡载流子被位错高辐射复合效率[44, 47]。对器件电致发光而言，V 形坑中侧壁蔽位错，同时上大下小的结构可以增加器件中空穴的数量，提升器件的光电性能。因此，通过控制外延生长条件，调控 V索 V 形坑附近区域的载流子行为，对进一步提高器件性能
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本文编号：2884475