p-GaN插入层调控InGaN基黄绿双波长LED发光光谱
发布时间：2021-04-06 19:30
采用MOCVD技术在硅衬底上生长了含有7个黄光量子阱和1个绿光量子阱的混合有源区结构的InGaN基黄绿双波长LED外延材料,研究了电子阻挡层前p-GaN插入层厚度对黄绿双波长LED载流子分布及外量子效率（EQE）的影响。通过LED变温电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。结果表明,100 K小电流时随着电流密度的增大,三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值越来越大,且5.5 A·cm-2的电流密度下,随着温度从300 K逐步降低至100 K,三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值也越来越大,说明其载流子都在更靠近p型层的位置发生辐射复合。三组样品的p-GaN插入层厚度为0,10,30 nm时,EQE峰值依次为29.9%、29.2%和28.2%,呈现依次减小的趋势,归因于p-GaN插入层厚度越大,p型层越远离有源区,空穴注入也越浅。电子阻挡层前p-GaN插入层可以有效减小器件EL光谱中绿光峰随着电流密度增加时峰值波长的蓝移（33 nm）,实现了对低温发光光谱的调控。
【文章来源】：发光学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
三组样品的外延结构示意图
图2(a)、(d)表明样品A随着电流密度的增加,其绿光峰和黄光峰的比值持续增大,说明有更多的载流子在末阱的位置发生辐射复合,主要原因可能是随着电流密度的增加,电子数量比空穴增加的更明显,导致在末阱附近电子数量明显多于空穴,且电子质量比空穴轻,迁移率更高,所以空穴在更靠近p型层的位置和电子发生辐射复合。当电流密度从0.07 A·cm-2增加到10 A·cm-2,样品A的绿光峰与黄光峰的比值从1.45%增大到69.6%,黄光峰依旧为主要发光峰;当电流密度为20 A·cm-2,比值增大到131.73%,说明绿光峰的强度已经超过黄光峰,出现反转成为了主要发光峰;当电流密度从20 A·cm-2增加到50 A·cm-2,绿光峰一直为主要发光峰。此外,当注入电流密度为0.07 A·cm-2时,绿光峰值波长为539 nm,当电流密度增加到50 A·cm-2时,绿光峰值波长为506 nm,随着电流密度的增加,其绿光峰蓝移了33 nm。图2(b)、(d)表明样品B随着电流密度从0.07 A·cm-2增加到20 A·cm-2,绿光峰与黄光峰的比值从1%增大到5.25%,原因与样品A一样,不再赘述;当电流密度从20 A·cm-2增加到50 A·cm-2,比值却从5.25%减小到2.89%。样品C的变化规律和样品B类似,随着电流密度的增大,绿光峰与黄光峰的比值先增大后减小,与样品B不同的是,样品C绿光峰与黄光峰的比值开始减小时的电流密度为4 A·cm-2,比样品B的20 A·cm-2提前,可能原因是p-GaN插入层的存在导致EBL对电子的限制能力减弱,且厚度越大,EBL对电子的限制能力就越弱,因此随着电流密度的增大,电子数量明显增加,部分电子泄露到p-GaN插入层,使得载流子在绿光量子阱的辐射复合减少,绿光峰减弱。结合图2(a)、(b)、(c)三幅图可以看出,样品A随着电流密度的增加,其绿光峰蓝移了33 nm,而样品B和C随着电流密度的增大,绿光峰位置漂移很小,可能是因为处于绿光阱和EBL之间的p-GaN插入层起到了一定的缓冲作用,减小了EBL对于绿光阱的应力[21-23],其次是因为绿光阱前先生长的黄光阱也可以起到缓冲应力的作用,减小了绿光阱所受应力[17]。对比可知,样品A的绿光峰位置发生明显蓝移,可能是EBL对绿光阱的应力较大导致。样品B、C绿光峰漂移减少还有一个可能的原因是绿光量子阱中的载流子填充水平低,发光峰很低就是证据;而样品A绿光峰蓝移大的一个原因就是绿光阱的填充越来越高。图3 (a)、(b)、(c)分别对应三组样品在温度100 K下电流密度依次为10,35,50 A·cm-2的归一化光谱曲线,可以看出样品A在100 K大电流密度下,绿光峰逐渐占据主导位置,且随着电流密度的增大,绿光峰呈现出越来越强的趋势。样品B和样品C在100 K大电流密度下,发光峰依旧以黄光峰为主,而绿光峰的强度随着电流密度的增加呈现出逐渐减小的趋势。造成上述现象的主要原因可能是样品A的绿光阱和EBL距离更近,其EBL对电子可以起到很好的限制作用;而样品B和C的绿光阱与EBL之间的p-GaN插入层导致EBL对电子的限制作用减弱,使电子泄漏到p-GaN插入层,且p-GaN插入层可能由于缺陷较多,很难观察到泄露峰。图3(d)为三组样品的归一化IQE随电流密度变化的曲线,可以发现在大电流密度下,样品A有一个明显的起伏,这是样品A发光峰由黄光峰变化为绿光峰时的现象,与前面样品A的光谱现象一致。
图3 100 K时,三组样品在10(a),35(b),50(c) A·cm-2电流密度下的归一化光谱曲线及三组样品的IQE随电流密度的变化曲线(d)。图5是A、B和C三组样品在室温测试条件下的外量子效率 (EQE) 随电流密度变化的曲线,可以看出A、B和C三组样品的EQE最大值分别为29.9%、29.2%和28.2%,呈现出依次减小的变化趋势。原因可能是空穴主要集中在靠近p型层的位置,而由于p-GaN插入层的Mg浓度相对较低,其厚度越大,将会导致p型层的位置越远离有源区,空穴注入的也就越浅,不能够到达更深层次的黄光量子阱处;其次还可能存在的原因为大注入电流密度下,样品B和C的EBL对电子限制能力减弱导致电子泄露到p-GaN插入层。这两方面原因均不利于载流子的辐射复合,因此三组样品的EQE呈现出了A>B>C的规律。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电子阻挡层Al组分对Si衬底GaN基黄光LED内量子效率的影响[J]. 胡耀文,高江东,全知觉,张建立,潘拴,刘军林,江风益. 发光学报. 2019(09)
[2]低蓝光危害的白光LED光源的光谱设计与优化[J]. 周孟欣,朱大庆,廖欣怡. 激光与光电子学进展. 2019(18)
[3]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)
[4]LED微阵列投影系统设计[J]. 冯思悦,梁静秋,梁中翥,吕金光,陶金,王维彪,秦余欣,孟德佳. 中国光学. 2019(01)
[5]用于激光背光源电视的扫描分光与消散斑系统[J]. 宋少华,仝召民. 光学精密工程. 2019(02)
[6]多基色全光谱白光LED混光研究[J]. 吴一新,杜罡,李晓艳. 科技创新与应用. 2018(25)
[7]全光谱LED发展现状及应用前景[J]. 李琪,辛易. 中国照明电器. 2017(03)
[8]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)
[9]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)
[10]p-AlGaN电子阻挡层Al组分对Si衬底绿光LED性能影响的研究[J]. 毛清华,江风益,程海英,郑畅达. 物理学报. 2010(11)
本文编号：3122001
【文章来源】：发光学报. 2020,41(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
三组样品的外延结构示意图
图2(a)、(d)表明样品A随着电流密度的增加,其绿光峰和黄光峰的比值持续增大,说明有更多的载流子在末阱的位置发生辐射复合,主要原因可能是随着电流密度的增加,电子数量比空穴增加的更明显,导致在末阱附近电子数量明显多于空穴,且电子质量比空穴轻,迁移率更高,所以空穴在更靠近p型层的位置和电子发生辐射复合。当电流密度从0.07 A·cm-2增加到10 A·cm-2,样品A的绿光峰与黄光峰的比值从1.45%增大到69.6%,黄光峰依旧为主要发光峰;当电流密度为20 A·cm-2,比值增大到131.73%,说明绿光峰的强度已经超过黄光峰,出现反转成为了主要发光峰;当电流密度从20 A·cm-2增加到50 A·cm-2,绿光峰一直为主要发光峰。此外,当注入电流密度为0.07 A·cm-2时,绿光峰值波长为539 nm,当电流密度增加到50 A·cm-2时,绿光峰值波长为506 nm,随着电流密度的增加,其绿光峰蓝移了33 nm。图2(b)、(d)表明样品B随着电流密度从0.07 A·cm-2增加到20 A·cm-2,绿光峰与黄光峰的比值从1%增大到5.25%,原因与样品A一样,不再赘述;当电流密度从20 A·cm-2增加到50 A·cm-2,比值却从5.25%减小到2.89%。样品C的变化规律和样品B类似,随着电流密度的增大,绿光峰与黄光峰的比值先增大后减小,与样品B不同的是,样品C绿光峰与黄光峰的比值开始减小时的电流密度为4 A·cm-2,比样品B的20 A·cm-2提前,可能原因是p-GaN插入层的存在导致EBL对电子的限制能力减弱,且厚度越大,EBL对电子的限制能力就越弱,因此随着电流密度的增大,电子数量明显增加,部分电子泄露到p-GaN插入层,使得载流子在绿光量子阱的辐射复合减少,绿光峰减弱。结合图2(a)、(b)、(c)三幅图可以看出,样品A随着电流密度的增加,其绿光峰蓝移了33 nm,而样品B和C随着电流密度的增大,绿光峰位置漂移很小,可能是因为处于绿光阱和EBL之间的p-GaN插入层起到了一定的缓冲作用,减小了EBL对于绿光阱的应力[21-23],其次是因为绿光阱前先生长的黄光阱也可以起到缓冲应力的作用,减小了绿光阱所受应力[17]。对比可知,样品A的绿光峰位置发生明显蓝移,可能是EBL对绿光阱的应力较大导致。样品B、C绿光峰漂移减少还有一个可能的原因是绿光量子阱中的载流子填充水平低,发光峰很低就是证据;而样品A绿光峰蓝移大的一个原因就是绿光阱的填充越来越高。图3 (a)、(b)、(c)分别对应三组样品在温度100 K下电流密度依次为10,35,50 A·cm-2的归一化光谱曲线,可以看出样品A在100 K大电流密度下,绿光峰逐渐占据主导位置,且随着电流密度的增大,绿光峰呈现出越来越强的趋势。样品B和样品C在100 K大电流密度下,发光峰依旧以黄光峰为主,而绿光峰的强度随着电流密度的增加呈现出逐渐减小的趋势。造成上述现象的主要原因可能是样品A的绿光阱和EBL距离更近,其EBL对电子可以起到很好的限制作用;而样品B和C的绿光阱与EBL之间的p-GaN插入层导致EBL对电子的限制作用减弱,使电子泄漏到p-GaN插入层,且p-GaN插入层可能由于缺陷较多,很难观察到泄露峰。图3(d)为三组样品的归一化IQE随电流密度变化的曲线,可以发现在大电流密度下,样品A有一个明显的起伏,这是样品A发光峰由黄光峰变化为绿光峰时的现象,与前面样品A的光谱现象一致。
图3 100 K时,三组样品在10(a),35(b),50(c) A·cm-2电流密度下的归一化光谱曲线及三组样品的IQE随电流密度的变化曲线(d)。图5是A、B和C三组样品在室温测试条件下的外量子效率 (EQE) 随电流密度变化的曲线,可以看出A、B和C三组样品的EQE最大值分别为29.9%、29.2%和28.2%,呈现出依次减小的变化趋势。原因可能是空穴主要集中在靠近p型层的位置,而由于p-GaN插入层的Mg浓度相对较低,其厚度越大,将会导致p型层的位置越远离有源区,空穴注入的也就越浅,不能够到达更深层次的黄光量子阱处;其次还可能存在的原因为大注入电流密度下,样品B和C的EBL对电子限制能力减弱导致电子泄露到p-GaN插入层。这两方面原因均不利于载流子的辐射复合,因此三组样品的EQE呈现出了A>B>C的规律。
【参考文献】：
期刊论文
[1]电子阻挡层Al组分对Si衬底GaN基黄光LED内量子效率的影响[J]. 胡耀文,高江东,全知觉,张建立,潘拴,刘军林,江风益. 发光学报. 2019(09)
[2]低蓝光危害的白光LED光源的光谱设计与优化[J]. 周孟欣,朱大庆,廖欣怡. 激光与光电子学进展. 2019(18)
[3]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)
[4]LED微阵列投影系统设计[J]. 冯思悦,梁静秋,梁中翥,吕金光,陶金,王维彪,秦余欣,孟德佳. 中国光学. 2019(01)
[5]用于激光背光源电视的扫描分光与消散斑系统[J]. 宋少华,仝召民. 光学精密工程. 2019(02)
[6]多基色全光谱白光LED混光研究[J]. 吴一新,杜罡,李晓艳. 科技创新与应用. 2018(25)
[7]全光谱LED发展现状及应用前景[J]. 李琪,辛易. 中国照明电器. 2017(03)
[8]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)
[9]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)
[10]p-AlGaN电子阻挡层Al组分对Si衬底绿光LED性能影响的研究[J]. 毛清华,江风益,程海英,郑畅达. 物理学报. 2010(11)
本文编号：3122001
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3122001.html
