GaN基LED光电特性的研究

发布时间：2017-09-29 04:14

  本文关键词：GaN基LED光电特性的研究

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【摘要】：GaN及其合金化合物(AlGaN、InG; iN)因具有化学稳定性强、禁带宽度可调等特点,在微电子器件(如L EDs、LDs、HEMT)领域得到了广泛的应用。特别是在蓝绿LED照明领域,GaN更是起到不可代替的作用。尽管目前通过金属有机化学气相沉积(Metal-Organic Chemical Deposition,简称MOCVD)已经可以制备出结晶质量很高的LED芯片,但是其内量子效率仍然较为低下。因此,深入了解LED内部载流子的发光机理、优化LED结构,在提高LED发光效率方面起到至关重要的作用。在本论文中,我们利用Photoluminescence (PL)、Electroluminescence (EL)、I-V和Raman等测试手段,分别研究了低In组分InGaN/GaN准超晶格下置层和低温p-GaN插入层对蓝绿InGaN/GaN基LED光电特性的影响。通过对样品PL、EL的温度依赖性、功率依赖性及其他测试结果的分析,探究InGaN/GaN准超晶格下置层和低温p-GaN插入层对InGaN/GaN基LED的光电特性的影响机制。文章的主要内容包括如下几个方面：(1).研究了有、无InGaN/GaN准超晶格下置层样品PL谱的激发功率依赖性。结果显示,在插入InGaN/GaN准超晶格下置层之后,样品的激子发光峰峰位随激发功率的增加上升较为缓慢。这是由于在插入InGaN/GaN准超晶格下置层之后,量子阱内部的应力得到释放,量子限制斯塔克效应(QCSE)减小。因此,在激发功率增加过程中的,载流子对QCSE的屏蔽作用并不显著,从而导致了峰位上升减缓；(2).研究了有、无InGaN/GaN准超晶格下置层样品PL谱的温度依赖性。结果显示,在插入InGaN/GaN准超晶格下置层之后,样品的激子发光峰峰位随温度变化的“S型”行为更加明显,这说明样品中的局域效果增强。这是由于在插入InGaN/GaN准超晶格下置层之后,量子阱内部的应力得到释放。当应力释放后,晶体更趋向于不均一。因此,在InGaN量子阱内部,更容易形成富In区(相分离),并导致局域效果明显增强。(3).对有、无InGaN/GaN准超晶格下置层两样品发光强度进行了比较。通过比较我们发现,在插入InGaN/GaN准超晶格下置层之后,样品的发光强度明显增强。这是因为在插入InGaN/GaN准超晶格下置层后,样品内部的结构得到了改善：应力得到释放(局域效果增强)、QCSE降低,因此发光效率得以提高。(4).研究了有、无低温p-GaN插入层样品的I-V特性。室温300K下,有低温p-GaN的样品的正向偏压减小。这是由于在插入低温p-GaN后,空穴的注入效率得到了明显的提高。(5).研究了低温p-GaN插入层对量子阱中In组分的影响。结果显示,两样品的PL测试结果没有什么明显不同,但是EL谱的差异却较为明显。这是由于低温p-GaN插入层对有源区中最后一个量子阱中的In扩散起到了一定的抑制作用。(6).研究了低温p-GaN插入层对样品EL峰位的影响。结果显示,随着激发功率的增加,有低温p-GaN样品的EL峰位上升较快。这显示了低温p-GaN插入层对In组分的扩散有抑制作用,并使得QCSE增强。(7).通过对有、无低温p-GaN插入层样品EQE测试结果的分析,我们发现在插入低温p-GaN后,样品的EQE在大电流下的值仍然较大,效率下降现象得到改善。我们认为这是由于低温p-GaN插入层有效改善了能带结构,使得阻止电子泄漏的有效势垒高度增加。在这种情况下,电子更加不容易泄露到p型层中,空穴也更容易进入到有源区中。因此,电子和空穴的注入效率都得到了提高,效率下降现象被有效的抑制。(8).利用APSYS模拟软件仿真了有、无低温p-GaN插入层样品的能带结构、电子空穴浓度、复合效率等参数,并与实验数据进行了比较。结果显示实验数据与仿真数据在理论基本一致。
【关键词】：GaN LED 应力释放 效率下降
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.8
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-13
• 符号表13-14
• 第一章 绪论14-22
• §1-1 人类照明的发展历史14-15
• §1-2 GaN基LED的发展历史15-16
• §1-3 LED中存在的问题16-18
• §1-4 本论文的安排与研究内容18-20
• 参考文献20-22
• 第二章 GaN基LED的性质、制备和测试22-40
• §2-1 GaN基半导体的基本性质22-27
• §2-2 半导体中的光辐射过程27-29
• §2-3 LED芯片的制备29-31
• §2-4 LED的常用测试方法31-38
• 2-4-1 光致发光谱及测试系统31-34
• 2-4-2 电致发光谱及测试系统34-36
• 2-4-3 拉曼光谱与测试系统36-38
• §2-5 本章小结38-39
• 参考文献39-40
• 第三章 InGaN/GaN准超晶格下置层对LED光学特性的影响40-56
• §3-1 样品结构与实验过程40-42
• §3-2 样品测试结果与讨论42-49
• 3-2-1 样品的PL谱特征42-43
• 3-2-2 样品PL谱的激发功率依赖性43-45
• 3-2-3 样品Raman测试结果分析45-47
• 3-2-4 样品PL谱的温度依赖性47-48
• 3-2-5 样品内量子效率的激发功率依赖性48-49
• §3-3 本章小结49-51
• 参考文献51-56
• 第四章 低温p-GaN插入层对LED光电特性的影响56-70
• §4-1 样品结构与实验过程57-58
• §4-2 样品测试结果与讨论58-67
• 4-2-1 样品EL测试结果58-59
• 4-2-2 样品EL谱的注入电流依赖性59-60
• 4-2-3 样品EL谱的温度依赖性60-61
• 4-2-4 样品PL测试结果61-62
• 4-2-5 样品能带模拟图62-63
• 4-2-6 电子、空穴、复合效率模拟图63-64
• 4-2-7 样品I-V特性曲线64-65
• 4-2-8 样品输出功率特性曲线65-66
• 4-2-9 样品归一化外量子效率图66-67
• §4-3 本章小结67-68
• 参考文献68-70
• 第五章 工作总结与展望70-72
• §5-1 工作总结70-71
• §5-2 工作展望71-72
• 致谢72-74
• 硕士期间发表学术论文目录74-81
• 学位论文评阅及答辩情况表81

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本文编号：939905