V坑对硅衬底GaN基长波长LED光电性能的影响
发布时间：2021-01-27 12:58
全光谱LED照明是未来照明市场的一种趋势,然而全光谱照明所需求的黄绿光LED效率低下,这制约了全光谱LED照明的发展。因此,提升长波长LED的发光效率已成为一个亟待解决的问题。本文依据课题组已有的研究成果,从量子阱中的V坑入手,结合实验与数值仿真软件,研究了 V坑对长波长LED光电性能的影响。取得的主要研究成果如下:1、通过调节n-GaN层前的AlN缓冲层厚度,获取了三组不同V坑密度的绿光LED样品,研究了多量子阱中的V坑密度对Si衬底GaN基绿光LED外量子效率（EQE）的影响。结果表明:通过调控AlN缓冲层厚度获取了阱中V坑密度分别为7.96×108、9.17×108、11.02×108 cm-2的外延层材料,增大的V坑密度并未破坏阱垒界面。在小电流密度下,V坑密度增大有利于阱中In原子并入,量子阱晶体质量提升,三样品EQE值随着V坑密度增大而增大使得外量子效率最大值增加,量子效率最高值对应的电流密度值（Jmax）左移。在大电流密度下,三样品EQE值随V坑密度增加先增后减。EQE增加是因为增大的V坑密度有利于空穴的注入。下降则是因为V坑面积占比过大,量子阱区有效发光面积减小,加剧了...
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１白光ＬＥＤ光效发展预测图［９１??１??
用多色高效率ＬＥＤ合成全光谱白光。利用光源激发荧光粉获取??白光的方式在当前的照明市场中占主导地位，但是该种方式存在诸多缺陷。首??先，激发光源为短波长光，其能量较高，并且白光中短波长光占比较大，容易??对视网膜造成损害［１Ｇ］。其次，荧光粉在使用过程中会出现老化现象，严重影响??光品质及产品可靠性［＂１。此外，蓝光激发荧光粉产生的斯托克斯能量损失限制??了其发光效率［１２］。多基色ＬＥＤ合成全光谱白光没有斯托克斯能量损失，并且具??有光谱可调、光品质好、发光效率高、可靠性强等优点。图１．２为三种获取白??光光源方法示意图，从左到右依次为蓝光ＬＨ）激发荧光粉，紫外ＬＥＤ激发多??色荧光粉，三基色（红、绿、蓝）光合成全光谱白光。??：鲁．．．?????????眶…Ａ?＞?ｉｆ】．，麵鼸??图１．２三种获取白光光源方法示意图??然而，由于用来合成全光谱白光的各色ＬＥＤ光效不一，合成的白光ＬＥＤ??光学性能不稳定，需要通过外加电路等措施来进行补偿。宄其原因是全光谱照??明中基于ＧａＮ基材料制作成的ＬＥＤ器件在绿、黄光波段效率低下，这被称为??绿光鸿沟（ＧｒｅｅｎＧａｐ）?ｔｍ，如图１．３所示。绿光鸿沟阻碍了全光谱照明的进一??步发展。由图１．３可知，通过ＡｌＧａｌｎＰ体系材料与ＩｎＧａＮ体系材料都能获取黄??绿光波段ＬＥＤ。ＡｌＧａｌｎＰ体系材料可以通过增加Ａ１组分来实现黄绿光ＬＥＤ，??但是Ａ１组分增加到一定量时，该体系材料会发生带隙转换，直接带隙将变为间??接带隙，并且其对温度敏感，热稳定差。而ＩｎＧａＮ体系材料为直接带隙，热稳??定性好，且禁带宽度连续可调，因此以ＩｎＧａＮ材料体系制备黄绿光波段ＬＥＤ??
?第１章绪论???以为全光谱健康照明的实现打下坚实基矗??１００％????Ｉ??？?？?？?龜一??Ｉ?？?？??Ｓ?々／??＝１０％?－?ｕ?？??Ｓ??ＣＱ??３??〇??１?？??ＣＪ??Ｕ??１％?Ｌ－丨＞?？丨‘?“?．，．．１．■？丨？丨＿？．』丨‘丨▲丨？丨?一．丨．．．．．，＂丄丨一．．．．．－．，．＊?ａ?丨？．?一??３５０?４００?４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）??图１．３不同发光波长ＬＥＤ外量子效率［？。蓝色代表ＩｎＧａＮ体系材料，实心圆点为ｃ面生??长，正方形为（２０２１）面生长，三角形为（１１－２２）面生长，五角星为本课题组在ｃ面生长??的研宂成果；红色实心圆点代表ＡｌＧａｌｎＰ材料体系??１．２长波长ＧａＮ基ＬＥＤ研究难点??获取长波长ＧａＮ基ＬＥＤ需要制备出高Ｉｎ组分的ＩｎＧａＮ量子阱，然而高Ｉｎ??组分会带来以下问题：??１．２．１高Ｉｎ组分影响置子阱中极化电场??在生长ＧａＮ基ＬＥＤ时，大多选择具有热力学稳定结构的纤锌矿ＧａＮ，纤??锌矿ＧａＮ晶体结构如图１．４所示。纤锌矿为六方结构，且属于非对称点群，在??沿ｃ轴的生长方向上，由于ＩＩＩ、Ｖ族原子电负性强度存在差异，在该方向的界??面上就会出现极化场，产生自发极化。异质外延生长所产生的应力作用会使得??晶格产生畸变，产生压电极化［１５１。??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]半导体黄光发光二极管新材料新器件新设备[J]. 江风益,刘军林,张建立,徐龙权,丁杰,王光绪,全知觉,吴小明,赵鹏,刘苾雨,李丹,王小兰,郑畅达,潘拴,方芳,莫春兰. 物理学报. 2019(16)
[2]Efficient InGaN-based yellow-light-emitting diodes[J]. FENGYI JIANG,JIANLI ZHANG,LONGQUAN XU,JIE DING,GUANGXU WANG,XIAOMING WU,XIAOLAN WANG,CHUNLAN MO,ZHIJUE QUAN,XING GUO,CHANGDA ZHENG,SHUAN PAN,JUNLIN LIU. Photonics Research. 2019(02)
[3]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)
[4]不同封装材料的中功率GaN基LED器件老化分析（英文）[J]. 符佳佳,曹海城,赵丽霞,王军喜,李晋闽. 发光学报. 2016(10)
[5]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)
[6]Si衬底InGaN/GaN多量子阱LED外延材料的微结构[J]. 李翠云,朱华,莫春兰,江风益. 半导体学报. 2006(11)
博士论文
[1]GaN/Si基绿光LED外延设计与效率提升研究[D]. 江兴安.南昌大学 2019
[2]含V形坑的Si衬底GaN基单量子阱绿光LED有源区研究[D]. 吴庆丰.南昌大学 2019
[3]高铟组分InGaN薄膜的MOCVD外延生长机理及其光电性质研究[D]. 刘建勋.大连理工大学 2017
硕士论文
[1]量子垒结构与生长方法对Si衬底GaN基长波长LED性能影响的研究[D]. 胡耀文.南昌大学 2019
[2]黄绿光InGaN/GaN量子阱的能带调控和发光特性[D]. 李晴飞.厦门大学 2014
本文编号：3003087
【文章来源】：南昌大学江西省 211工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１白光ＬＥＤ光效发展预测图［９１??１??
用多色高效率ＬＥＤ合成全光谱白光。利用光源激发荧光粉获取??白光的方式在当前的照明市场中占主导地位，但是该种方式存在诸多缺陷。首??先，激发光源为短波长光，其能量较高，并且白光中短波长光占比较大，容易??对视网膜造成损害［１Ｇ］。其次，荧光粉在使用过程中会出现老化现象，严重影响??光品质及产品可靠性［＂１。此外，蓝光激发荧光粉产生的斯托克斯能量损失限制??了其发光效率［１２］。多基色ＬＥＤ合成全光谱白光没有斯托克斯能量损失，并且具??有光谱可调、光品质好、发光效率高、可靠性强等优点。图１．２为三种获取白??光光源方法示意图，从左到右依次为蓝光ＬＨ）激发荧光粉，紫外ＬＥＤ激发多??色荧光粉，三基色（红、绿、蓝）光合成全光谱白光。??：鲁．．．?????????眶…Ａ?＞?ｉｆ】．，麵鼸??图１．２三种获取白光光源方法示意图??然而，由于用来合成全光谱白光的各色ＬＥＤ光效不一，合成的白光ＬＥＤ??光学性能不稳定，需要通过外加电路等措施来进行补偿。宄其原因是全光谱照??明中基于ＧａＮ基材料制作成的ＬＥＤ器件在绿、黄光波段效率低下，这被称为??绿光鸿沟（ＧｒｅｅｎＧａｐ）?ｔｍ，如图１．３所示。绿光鸿沟阻碍了全光谱照明的进一??步发展。由图１．３可知，通过ＡｌＧａｌｎＰ体系材料与ＩｎＧａＮ体系材料都能获取黄??绿光波段ＬＥＤ。ＡｌＧａｌｎＰ体系材料可以通过增加Ａ１组分来实现黄绿光ＬＥＤ，??但是Ａ１组分增加到一定量时，该体系材料会发生带隙转换，直接带隙将变为间??接带隙，并且其对温度敏感，热稳定差。而ＩｎＧａＮ体系材料为直接带隙，热稳??定性好，且禁带宽度连续可调，因此以ＩｎＧａＮ材料体系制备黄绿光波段ＬＥＤ??
?第１章绪论???以为全光谱健康照明的实现打下坚实基矗??１００％????Ｉ??？?？?？?龜一??Ｉ?？?？??Ｓ?々／??＝１０％?－?ｕ?？??Ｓ??ＣＱ??３??〇??１?？??ＣＪ??Ｕ??１％?Ｌ－丨＞?？丨‘?“?．，．．１．■？丨？丨＿？．』丨‘丨▲丨？丨?一．丨．．．．．，＂丄丨一．．．．．－．，．＊?ａ?丨？．?一??３５０?４００?４５０?５００?５５０?６００?６５０?７００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ（ｎｍ）??图１．３不同发光波长ＬＥＤ外量子效率［？。蓝色代表ＩｎＧａＮ体系材料，实心圆点为ｃ面生??长，正方形为（２０２１）面生长，三角形为（１１－２２）面生长，五角星为本课题组在ｃ面生长??的研宂成果；红色实心圆点代表ＡｌＧａｌｎＰ材料体系??１．２长波长ＧａＮ基ＬＥＤ研究难点??获取长波长ＧａＮ基ＬＥＤ需要制备出高Ｉｎ组分的ＩｎＧａＮ量子阱，然而高Ｉｎ??组分会带来以下问题：??１．２．１高Ｉｎ组分影响置子阱中极化电场??在生长ＧａＮ基ＬＥＤ时，大多选择具有热力学稳定结构的纤锌矿ＧａＮ，纤??锌矿ＧａＮ晶体结构如图１．４所示。纤锌矿为六方结构，且属于非对称点群，在??沿ｃ轴的生长方向上，由于ＩＩＩ、Ｖ族原子电负性强度存在差异，在该方向的界??面上就会出现极化场，产生自发极化。异质外延生长所产生的应力作用会使得??晶格产生畸变，产生压电极化［１５１。??３??
【参考文献】：
期刊论文
[1]半导体黄光发光二极管新材料新器件新设备[J]. 江风益,刘军林,张建立,徐龙权,丁杰,王光绪,全知觉,吴小明,赵鹏,刘苾雨,李丹,王小兰,郑畅达,潘拴,方芳,莫春兰. 物理学报. 2019(16)
[2]Efficient InGaN-based yellow-light-emitting diodes[J]. FENGYI JIANG,JIANLI ZHANG,LONGQUAN XU,JIE DING,GUANGXU WANG,XIAOMING WU,XIAOLAN WANG,CHUNLAN MO,ZHIJUE QUAN,XING GUO,CHANGDA ZHENG,SHUAN PAN,JUNLIN LIU. Photonics Research. 2019(02)
[3]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)
[4]不同封装材料的中功率GaN基LED器件老化分析（英文）[J]. 符佳佳,曹海城,赵丽霞,王军喜,李晋闽. 发光学报. 2016(10)
[5]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)
[6]Si衬底InGaN/GaN多量子阱LED外延材料的微结构[J]. 李翠云,朱华,莫春兰,江风益. 半导体学报. 2006(11)
博士论文
[1]GaN/Si基绿光LED外延设计与效率提升研究[D]. 江兴安.南昌大学 2019
[2]含V形坑的Si衬底GaN基单量子阱绿光LED有源区研究[D]. 吴庆丰.南昌大学 2019
[3]高铟组分InGaN薄膜的MOCVD外延生长机理及其光电性质研究[D]. 刘建勋.大连理工大学 2017
硕士论文
[1]量子垒结构与生长方法对Si衬底GaN基长波长LED性能影响的研究[D]. 胡耀文.南昌大学 2019
[2]黄绿光InGaN/GaN量子阱的能带调控和发光特性[D]. 李晴飞.厦门大学 2014
本文编号：3003087
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