GaN/Si基绿光LED外延设计与效率提升研究
发布时间：2020-12-21 06:25
多基色无荧光粉高品质白光照明被认为是半导体固态照明的终极方案,也是InGaN基LED的研究重点和发展方向。然而,在长波段区域（>500 nm）,由于InGaN/GaN有源区晶体质量退化和内部存在的强极化电场等原因,导致GaN基LED的发光效率急剧下降,即众所周知的“黄绿光鸿沟”。提升GaN基黄绿光波段的发光效率是实现多基色LED白光照明的关键性问题,目前仍存在着诸多技术挑战。在此背景下,本文在国家硅基LED工程技术研究中心的平台上,主要围绕Si衬底GaN（GaN/Si）基绿光LED外延设计和效率提升展开了较系统的研究工作,研究了有源区生长、准备层结构设计对GaN/Si基绿光LED性能的显微结构及发光性能的影响。取得的研究成果如下:1.研究了GaN/Si基绿光量子阱（QW）的热稳定性。研究发现,高温p型层的生长会引起低温生长的InGaN QW发生严重的In扩散,导致大量的FL暗点形成。进一步研究发现,In扩散起始于富In团簇,在富In团簇中观察到大量的失配位错/堆垛层错,在In扩散严重的区域,In原子几乎被耗尽,导致InGaN QW缺失。通过在生长完QW保护层后使用大流量的H
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
III-V族氮化物材料存在的三种晶体结构：（a）纤锌矿、（b）岩盐矿和（c）闪锌矿
其带隙可通过改变 Al 和 In 从 0.7 eV（InN）调至 6.2 eV（AlN），发射光谱范围从紫外到红外，如图 1-1 所示，是一种理想的 LED 发光材料[7]。随着 III-V 氮化物半导体材料和器件的发展，超高 InGaN 基蓝绿光 LED 已经商业化。表 1-2 列出了室温下 GaN、AlN 和 InN 材料的基本物理参数。图 1-2 III-V 族氮化物材料存在的三种晶体结构：（a）纤锌矿、（b）岩盐矿和（c）闪锌矿
LED A和LED B在室温下的PL光谱，LEDA的量子阱通过周期性中断In源和法生长；LED B的InGaN量子阱通过传统法生长长速率和V/Ⅲ比对InGaN/GaN的晶体质量也有着重要影响。在MOaN量子阱时，高的生长速率可以提高InGaN量子阱中的In含量，但InGaN量子阱的晶体质量变差，C杂质浓度增大等问题。NH3是N源于InGaN黄绿光量子阱的生长温度很低，NH3的裂解效率很低，容重不足，在InGaN量子阱中留下大量的N空位，还降低了量子阱中的的In容易在表面偏析形成In团簇、甚至In滴，严重恶化InGaN量子。因此，生长InGaN黄绿光量子阱一般需要很高的V/Ⅲ比。增大VN源，但过大也会加剧TMGa与NH3之间的加合预反应，导致量子阱、In并入效率降低、晶体质量严重恶化。同时过量的NH3在裂解提，还会分解产生H2会进一步降低In的并入、破坏量子阱垒界面。比如9]研究发现一定量的V/Ⅲ可以提高InGaN量子阱的In并入以及发光强但V/Ⅲ高到一定程度后将会明显减少InGaN量子阱中的In含量，以性能。为了避免加和预反应，Du等人[60]通过采用周期性中断In源
【参考文献】：
期刊论文
[1]Electroluminescence from the InGaN/GaN Superlattices Interlayer of Yellow LEDs with Large V-Pits Grown on Si（111）[J]. 陶喜霞,莫春兰,刘军林,张建立,王小兰,吴小明,徐龙权,丁杰,王光绪,江风益. Chinese Physics Letters. 2018(05)
[2]Structural characterization of indium-rich nanoprecipitate in InGaN V-pits formed by annealing[J]. 薛俊俊,蔡青,张保花,葛梅,陈敦军,智婷,陈将伟,汪联辉,张荣,郑有炓. Chinese Physics B. 2017(11)
[3]第三代半导体Ⅲ族氮化物的物理与工程——从基础物理到产业发展的典范[J]. 荣新,李顺峰,葛惟昆. 物理与工程. 2017(06)
[4]五基色LED照明光源技术进展[J]. 刘军林,莫春兰,张建立,王光绪,徐龙权,丁杰,李树强,王小兰,吴小明,潘拴,方芳,全知觉,郑畅达,郭醒,陈芳,江风益. 照明工程学报. 2017(01)
[5]垒温对硅衬底GaN基蓝光LED发光效率的影响[J]. 高江东,刘军林,徐龙权,王光绪,丁杰,陶喜霞,张建立,潘拴,吴小明,莫春兰,王小兰,全知觉,郑畅达,方芳,江风益. 发光学报. 2016(02)
[6]硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管[J]. 江风益,刘军林,王立,熊传兵,方文卿,莫春兰,汤英文,王光绪,徐龙权,丁杰,王小兰,全知觉,张建立,张萌,潘拴,郑畅达. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(06)
[7]GaN基发光二极管衬底材料的研究进展[J]. 陈伟超,唐慧丽,罗平,麻尉蔚,徐晓东,钱小波,姜大朋,吴锋,王静雅,徐军. 物理学报. 2014(06)
[8]MOCVD GaN/InN/GaN量子阱的应变表征[J]. 王元樟,林伟,李书平,陈航洋,康俊勇,张小英. 厦门理工学院学报. 2011(03)
博士论文
[1]高光效硅衬底GaN基黄光发光二极管发光性能研究[D]. 陶喜霞.南昌大学 2018
[2]氮化物多量子阱结构光电器件性能研究[D]. 吴海燕.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2018
[3]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[D]. 齐维靖.南昌大学 2018
[4]含V形坑的Si衬底GaN基蓝光LED发光性能研究[D]. 吴小明.南昌大学 2014
[5]硅基GaN外延膜生长与LED性能提升研究[D]. 郑畅达.南昌大学 2014
[6]InGaN/GaN低维量子阱结构的制备及其发光性质研究[D]. 杨国锋.南京大学 2013
[7]AlInGaN半导体薄膜的MOVPE生长和光电特性研究[D]. 王东博.哈尔滨工业大学 2013
[8]硅基LED量子阱相关特性及芯片p面技术研究[D]. 王光绪.南昌大学 2012
[9]GaN材料的缺陷分布及工艺设计对器件性能的影响研究[D]. 王福学.南京大学 2011
本文编号：2929359
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
III-V族氮化物材料存在的三种晶体结构：（a）纤锌矿、（b）岩盐矿和（c）闪锌矿
其带隙可通过改变 Al 和 In 从 0.7 eV（InN）调至 6.2 eV（AlN），发射光谱范围从紫外到红外，如图 1-1 所示，是一种理想的 LED 发光材料[7]。随着 III-V 氮化物半导体材料和器件的发展，超高 InGaN 基蓝绿光 LED 已经商业化。表 1-2 列出了室温下 GaN、AlN 和 InN 材料的基本物理参数。图 1-2 III-V 族氮化物材料存在的三种晶体结构：（a）纤锌矿、（b）岩盐矿和（c）闪锌矿
LED A和LED B在室温下的PL光谱，LEDA的量子阱通过周期性中断In源和法生长；LED B的InGaN量子阱通过传统法生长长速率和V/Ⅲ比对InGaN/GaN的晶体质量也有着重要影响。在MOaN量子阱时，高的生长速率可以提高InGaN量子阱中的In含量，但InGaN量子阱的晶体质量变差，C杂质浓度增大等问题。NH3是N源于InGaN黄绿光量子阱的生长温度很低，NH3的裂解效率很低，容重不足，在InGaN量子阱中留下大量的N空位，还降低了量子阱中的的In容易在表面偏析形成In团簇、甚至In滴，严重恶化InGaN量子。因此，生长InGaN黄绿光量子阱一般需要很高的V/Ⅲ比。增大VN源，但过大也会加剧TMGa与NH3之间的加合预反应，导致量子阱、In并入效率降低、晶体质量严重恶化。同时过量的NH3在裂解提，还会分解产生H2会进一步降低In的并入、破坏量子阱垒界面。比如9]研究发现一定量的V/Ⅲ可以提高InGaN量子阱的In并入以及发光强但V/Ⅲ高到一定程度后将会明显减少InGaN量子阱中的In含量，以性能。为了避免加和预反应，Du等人[60]通过采用周期性中断In源
【参考文献】：
期刊论文
[1]Electroluminescence from the InGaN/GaN Superlattices Interlayer of Yellow LEDs with Large V-Pits Grown on Si（111）[J]. 陶喜霞,莫春兰,刘军林,张建立,王小兰,吴小明,徐龙权,丁杰,王光绪,江风益. Chinese Physics Letters. 2018(05)
[2]Structural characterization of indium-rich nanoprecipitate in InGaN V-pits formed by annealing[J]. 薛俊俊,蔡青,张保花,葛梅,陈敦军,智婷,陈将伟,汪联辉,张荣,郑有炓. Chinese Physics B. 2017(11)
[3]第三代半导体Ⅲ族氮化物的物理与工程——从基础物理到产业发展的典范[J]. 荣新,李顺峰,葛惟昆. 物理与工程. 2017(06)
[4]五基色LED照明光源技术进展[J]. 刘军林,莫春兰,张建立,王光绪,徐龙权,丁杰,李树强,王小兰,吴小明,潘拴,方芳,全知觉,郑畅达,郭醒,陈芳,江风益. 照明工程学报. 2017(01)
[5]垒温对硅衬底GaN基蓝光LED发光效率的影响[J]. 高江东,刘军林,徐龙权,王光绪,丁杰,陶喜霞,张建立,潘拴,吴小明,莫春兰,王小兰,全知觉,郑畅达,方芳,江风益. 发光学报. 2016(02)
[6]硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管[J]. 江风益,刘军林,王立,熊传兵,方文卿,莫春兰,汤英文,王光绪,徐龙权,丁杰,王小兰,全知觉,张建立,张萌,潘拴,郑畅达. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2015(06)
[7]GaN基发光二极管衬底材料的研究进展[J]. 陈伟超,唐慧丽,罗平,麻尉蔚,徐晓东,钱小波,姜大朋,吴锋,王静雅,徐军. 物理学报. 2014(06)
[8]MOCVD GaN/InN/GaN量子阱的应变表征[J]. 王元樟,林伟,李书平,陈航洋,康俊勇,张小英. 厦门理工学院学报. 2011(03)
博士论文
[1]高光效硅衬底GaN基黄光发光二极管发光性能研究[D]. 陶喜霞.南昌大学 2018
[2]氮化物多量子阱结构光电器件性能研究[D]. 吴海燕.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2018
[3]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[D]. 齐维靖.南昌大学 2018
[4]含V形坑的Si衬底GaN基蓝光LED发光性能研究[D]. 吴小明.南昌大学 2014
[5]硅基GaN外延膜生长与LED性能提升研究[D]. 郑畅达.南昌大学 2014
[6]InGaN/GaN低维量子阱结构的制备及其发光性质研究[D]. 杨国锋.南京大学 2013
[7]AlInGaN半导体薄膜的MOVPE生长和光电特性研究[D]. 王东博.哈尔滨工业大学 2013
[8]硅基LED量子阱相关特性及芯片p面技术研究[D]. 王光绪.南昌大学 2012
[9]GaN材料的缺陷分布及工艺设计对器件性能的影响研究[D]. 王福学.南京大学 2011
本文编号：2929359
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