GaN基绿光与白光LED器件外延研究

摘要

由于发光二极管具有功耗低、寿命长、健康、环保等优势,因此它在景观装饰、信号指示、液晶背光源以及固态照明等方面得到了广泛应用。随着国家能源战略的实施,节能已经成为能源战略的第一要务,这就给半导体照明和相关的科研及产业提出了新的要求。随着GaN基材料的发展,高亮度、大功率蓝绿光LED得到了迅猛发展。然而以绿光为代表的可见光中间波长LED的发光亮度和效率还是比较低,不能与其它波段可见光匹配出高质量的照明光源。
　　本文以绿光LED亮度和效率的提高,以及非传统白光LED研究的背景及趋势为出发点,用MOCVD的外延生长方法,对GaN基材料的绿光LED以及无需荧光粉转换的白光LED进行发光强度和机理分析的实验研究。本文的主要研究内容如下:
　　首先,分析InGaN/GaN多量子阱中In组分变化影响LED发光强度和效率的因素。作者认为在C面蓝宝石上生长GaN基材料时,量子阱中In组分增大,使得InGaN与GaN晶格失配变大,从而增强了压电极化效应。由于量子阱中存在大的极化电场,产生所谓的量子受限斯塔克效应(QCSE)和量子受限Franz-Keldysh效应(QCFK)。阱和垒能带倾斜加剧,阱内电子与空穴波函数在空间上分离,有效复合减少。而且由于相对带隙变窄,使得发光谱红移,且发光效率降低。
　　其次,为了提高绿光LED发光强度和效率,本文创新性地采用有源区下方插入n型InGaN层,以及有源区下方插入15周期的类超晶格结构。实验证明,这两种应力调制结构对改善发光质量具有显著作用。本文还通过实验,提出并优化掺杂匹配,进行In组分渐变的阱区生长,结合前面的创新结构,使现有绿光发光水平在实验中得到显著提高。
　　最后,利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了无需荧光粉转换的单芯片白光LED。利用n型低In组分的InGaN层的应力调制,使得弛豫度提高。量子阱内InGaN相分离,形成富In区和低In区,不同In组分的起伏对应不同的局域态。当载流子注入到有源区时,被量子阱中不同组分的局域态俘获并复合发出不同波长的光,从而合成白光。本文研究的白光LED不仅突破性地实现了有源区同一有源层直接发出白光,而且其开启电压比一般LED开启电压明显降低。

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1绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 本文研究重点与安排

2材料特性、生长及器件基本原理

2.1 III族氮化物材料基本性质

2.2 III族氮化物材料的外延生长技术

2.3 III族氮化物LED结构与原理

3 MOCVD以及实验测试方法

3.1 MOCVD概述

3.2 GaN系材料MOCVD生长

3.3 GaN基发光材料及器件实验测试设备及方法

4 GaN基绿光LED提高发光性能的研究

4.1影响发光效率提高的因素

4.2 GaN基绿光LED外延生长及结构改进

4.3 对绿光LED掺杂的优化

4.4 In组分渐变量子阱实验研究

5 无需荧光分转换的GaN基单芯片白光LED

5.1白光发光LED

5.2 基于n型InGaN层的白光发光二极管实验过程

5.3 实验结果和分析

5.4 GaN基单芯片白光LED的发光机制研究

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果