高光效硅衬底GaN基大功率绿光LED研制

发布时间：2020-09-16 16:47

　　绿光LED器件光电性能的提高对于LED在液晶背光源,全景显示以及固态照明等领域的应用前景具有重要研究意义。目前,在500~550nm的绿光波段,无论是在AlGaInN体系材料还是AlGaIn P体系材料,其发光效率均很低,被称为“green gap”。为了解决这一问题,本文对Si衬底大功率绿光LED的性能提升进行了研究。首先,针对GaN基LED的一些共性技术突破进行了研究。这些技术包括GaN材料的高速生长、p-AlGaN电子阻挡层陡掺对LED器件变温电致发光性能提升以及LED器件工作电压随温度变化特性研究等。随后,在这些研究基础上对Si衬底大功率绿光LED的外延生长进行了系统优化,提升了器件的光效以及可靠性。本文取得了以下主要研究结果:1.在利用低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)高速生长GaN层时,其非故意掺杂C含量被发现与生长速率有着线性的依赖关系。当生长速率由2.0μm/h增加至7.2μm/h时,外延层的C含量被发现由2.931017cm-3增加至5.731018cm-3。C含量与N空位的浓度可能有极强的关联性。进一步的研究发现,GaN的光致发光光谱中,黄带以及蓝带相对于带边发光强度随C含量增加呈线性变化。该研究表明与C相关的缺陷是GaN中黄带与蓝带发光的主要来源。相关的实验结果发表在Journal of Semiconductors。2.通过实现对p-AlGaN电子阻挡层的陡峭掺杂,使GaN基LED器件的光电性能得到了提升。在常温时,陡峭掺杂样品具有更小的波长漂移以及更高的发光效率。而在低温时,传统样品中经常观察到的低温量子效率坍塌(efficiency collapse)现象并没有在陡峭掺杂样品中出现。通过比较由于载流子之间不匹配而在p型层形成的电场强度发现,发现陡峭掺杂样品在低温时具有更小的电场。而这个电场正是引起载流子泄露并导致量子效率衰退的主因。换言之,在低温时,陡峭掺杂样品具有更小的载流子泄露,从而抑制了严重的量子效率衰退。相关的实验结果发表在The Electrochemical Society。3.在温度变化时,如果GaInN发光二极管能够保持相对稳定的工作电压对其实际应用具有重要意义。本文通过MOCVD生长了一系列包含不同有源区结构、不同p型层结构以及不同掺杂浓度纵向分布的样品,并对它们在不同温度区间内正向电压随温度变化斜率(dV/dT)进行了研究。结果表明:a)有源区中包括插入层设计,量子阱结构以及发光波长等因素的变化对正向电压随温度变化特性影响很小;b)影响常温区间(300K±50K)正向电压随温度变化斜率的最主要因素为p-AlGaN电子阻挡层起始生长阶段的掺杂形貌,具有p-AlGaN陡掺界面的样品电压变化斜率为-1.3mV/K,与理论极限值-1.2mV/K十分接近;c)p-GaN主段层的掺Mg浓度对低温区间(200K)的正向电压随温度变化斜率有直接影响,掺Mg浓度越低则dV/dT斜率越大。以上现象归因于在不同温度区间,p-AlGaN以及p-GaN发生Mg受主冻结效应的程度主要取决于各自的掺杂浓度。因此Mg掺杂浓度纵向分布不同的样品在不同的温度区间具有不同的串联电阻,最终表现为差异很大的正向电压温度特性。相关的分析结果发表在物理学报。4.设计了一种全新的Si衬底大功率绿光LED外延结构并对其进行了优化。优化分为以下几个方面:a)通过优化N型层掺杂,改善了垂直结构LED的电流分布;b)优化了插入层中的低温GaN层厚度,InGaN/GaN超晶格层In组份,蓝光多量子阱结构阱厚。在N层与绿光发光量子阱之间形成了良好的In组份梯形渐变,使大电流工作密度时,电子能够被冷却,减少了载流子泄露,缓解了量子效率衰退;c)优化了绿光量子阱厚度以及垒结构,采用的InGaN/AlGaN/InGaN垒能够降低量子阱中的极化电场,提高了器件的发光效率。经过以上优化,该结构的1mm31mm器件在常温35A/cm2,波长为515nm,520nm以及525nm的器件内量子效率分别达到45.2%,42.5%以及41.6%。5.为了提升含有大型V形坑的Si衬底功率型绿光LED的漏电性能以及发光效率,对p-AlGaN电子阻挡层(EBL)厚度进行了优化研究。研究发现,随着p-AlGaN EBL厚度的增加,其在V形坑侧壁的厚度也将相应增加,能够更好地实现对位错的屏蔽。这也使得当p-AlGaN厚度由20nm(传统厚度)增加至40nm及以上时,在反向5V电压下,器件漏电流下降约一个数量级。此外,在不同电流密度时,各样品外量子效率(EQE)随EBL厚度的增加呈现出多样的变化规律。在峰值EQE对应电流密度及以下时,随EBL厚度增加,EQE先减小后增大;而在工作电流密度及以上时,随EBL厚度增加,EQE则近似单调增加并在40nm时达到EQE的最大值,为31.2%。尺寸为1mm31mm的芯片,在35A/cm2下,波长为520nm时,光功率达260mW。但随后继续增加EBL厚度,EQE反而下降。这些现象分别解释为EBL厚度变化对辐射复合效率、电子泄露以及空穴浓度等因素的影响所致。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN312.8;TQ133.51

【参考文献】