改善氮化镓基发光二极管发光效率及光萃取效率的研究

发布时间：2017-04-14 19:22

  本文关键词：改善氮化镓基发光二极管发光效率及光萃取效率的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：Ⅲ-Ⅴ族化合物被誉为是第三代半导体材料,其中由于氮化物具有宽的禁带宽度、高电子迁移率、发光效率高以及频率高等特点,被广泛的应用在蓝、紫光发光二极管以及半导体激光器上。随着发光材料技术的成熟,发光二极管以其长寿命、高效率、高亮度的优点,被广泛应用在交通信号灯、路灯以及大面积显示屏等照明显示行业,特别是氮化镓基发光二极管的快速发展,以蓝光发光二极管为基础的白光照明与全彩显示成为全球照明研发的热点。发光二极管已经有逐渐取代白炽灯的趋势,这也预示着半导体照明时代的来临。但是目前氮化镓基发光二极管主要存在两个问题,一是在高电流的注入下,外量子效率会下降(droop效应),二是氮化镓的折射率较高,光萃取效率差。因此解决这两个问题成为国内外的研究热点。本论文的主要研究工作为:1.研究不同成核层对发光二极管光电特性的影响。实验采用传统的有机金属化学气相沉积法生长氮化镓和氮化铝成核层以及物理沉积法生长氮化铝成核层。通过对三组样品的研究发现物理沉积法生长的氮化铝成核层外延后,晶体的品质是最好的,尤其是(002)面摇摆曲线的半高宽可以达到200 arcsec以下。三组样品都具有良好的二极管特性,在相同的正向电压下物理沉积法生长的成核层样品的电流较大,且-10 V逆向电压下漏电流最小。同时此样品的光输出功率也明显要高于其他两组样品。2.研究量子阱厚度对发光二极管droop的影响。量子阱的厚度从2.4 nm一直变化至3.6 nm,经过XRD的测量后发现所有样品的铟成分均相同,且厚度与预期较为符合。当量子阱厚度从2.4 nm增加至2.7 nm时,量子阱对载流子的局限能力增加,继续增加量子阱厚度,局限能力开始降低。样品的发光波长会随着量子阱厚度的增加而产生红移。红移现象越大代表样品量子限制斯塔克效应越明显。Droop效应的大小与量子阱厚度有明显的关系,量子阱越厚,可容纳的载流子数越多,droop的效应越小。3.研究TMIn预处理对蓝绿光发光二极管光电特性的影响。TMIn预处理不会明显的改变量子阱中铟的含量以及量子阱的厚度,但是会使得氮化铟镓层中的富铟区域明显增多,导致发光二极管的发光波长红移,且随着时间的增加,红移现象会越明显。TMIn预处理不会改变样品的I-V特性,但是可以改善发光二极管的droop效应。4.研究Zn O纳米棒改善发光二极管光萃取效率。使用溶液法生长Zn O纳米棒,通过改变生长溶液中组分的浓度,得到不同形貌的Zn O纳米棒,并研究Zn O纳米形貌对于光萃取效率的影响。本实验生长的Zn O纳米棒均呈现出沿c轴生长。生长溶液中氨水以及锌离子的浓度均会改变Zn O的纳米形貌,如长度,直径,排列密度等,并且在发光二极管上生长Zn O纳米棒之后可以明显改善其光萃取效率,同时也不会影响到器件的电学性质与发光的稳定性。
【关键词】：效率骤降 外量子效率 光萃取效率 成核层 量子阱 TMIn预处理 ZnO纳米棒
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN312.8;TQ133.51
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-30
• 1.1 发光二极管的发展过程10-11
• 1.2 发光二极管的原理及其理论11-17
• 1.2.1 直接带隙与间接带隙12-13
• 1.2.2 辐射复合与非辐射复合13-14
• 1.2.3 同质结与异质结发光二极管14-15
• 1.2.4 外量子效率15-16
• 1.2.5 发光效率16-17
• 1.2.6 注入效率17
• 1.3 氮化物的基本特性17-21
• 1.3.1 氮化镓的结构与基本性质18-19
• 1.3.2 氮化铝的结构与基本性质19-20
• 1.3.3 氮化铟的结构与基本性质20
• 1.3.4 极化效应20-21
• 1.4 氮化物的生长21-28
• 1.4.1 生长仪器的选择21-25
• 1.4.2 衬底的选择25
• 1.4.3 成核层的生长25-26
• 1.4.4 氮化镓的掺杂26
• 1.4.5 氮化铟镓的生长26-28
• 1.5 研究意义及内容28-30
• 第二章 发光二极管droop效应以及器件的表征方法30-46
• 2.1 发光二极管droop效应30-37
• 2.1.1 缺陷机制31-33
• 2.1.2 俄歇复合机制33-35
• 2.1.3 电子溢流35-37
• 2.2 器件的表征方法37-46
• 2.2.1 高分辨率X射线衍射仪38-39
• 2.2.2 扫描电子显微镜39-40
• 2.2.3 透射电子显微镜TEM40-41
• 2.2.4 原子力显微镜41-42
• 2.2.5 光谱仪42-44
• 2.2.6 半导体分析仪44-46
• 第三章 不同成核层对发光二极管光电特性的影响46-58
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验方法与过程47-49
• 3.3 结果与分析49-56
• 3.4 总结56-58
• 第四章 量子阱厚度对发光二极管的影响58-68
• 4.1 引言58
• 4.2 实验过程58-60
• 4.3 结果与讨论60-66
• 4.4 小结66-68
• 第五章 TMIn预处理改善GaN/InGaN的界面特性以及droop效应68-86
• 5.1 Pre-TMIn处理对蓝光LED的影响68-75
• 5.1.1 引言68
• 5.1.2 实验过程68-70
• 5.1.3 结果与讨论70-74
• 5.1.4 小结74-75
• 5.2 Pre-TMIn处理对绿光LED的影响75-86
• 5.2.1 引言75
• 5.2.2 实验过程75-77
• 5.2.3 结果与讨论77-85
• 5.2.4 小结85-86
• 第六章 ZnO纳米线改善蓝光发光二极管出光效率的研究86-96
• 6.1 引言86
• 6.2 实验过程86-87
• 6.3 结果与讨论87-94
• 6.3.1 ZnO纳米棒的微观结构87-90
• 6.3.2 LED芯片的光电特性90-94
• 6.4 本章小结94-96
• 第七章 总结与展望96-100
• 7.1 总结96-97
• 7.2 展望97-100
• 参考文献100-118
• 发表论文和科研情况说明118-119
• 致谢119-120

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