Ⅲ族氮化物紫光和近紫外LED的制备与研究

摘要

Ⅲ族氮化物如GaN、InGaN、AlGaN等半导体材料，理论上可以用来制备光谱范围从红外光到紫外光的发光二极管(LED)和激光二极管(LD)。Ⅲ族氮化物基紫光和紫外LED由于具有无毒、不产生臭氧、开关速度快、光谱窄和寿命长等优点，使其在卫生消毒、UV固化、光刻、防伪检测、医疗诊断和水净化等领域具有广阔的应用前景。虽然，目前GaN基可见光LED技术已经非常成熟，但相比之下，Ⅲ族氮化物基紫光和紫外LED存在一些瓶颈，如器件内横向电流拥挤严重、散热不良、衬底和外延材料吸收紫外光、光提取效率低等，限制其外部量子效率和光电性能的进一步提升。
　　针对紫光和紫外LED易产生横向电流拥挤，散热不良的问题。我们设计了带有不同电子阻挡层(EBL)的紫光LED，利用APSYS软件和MOCVD系统分别对所设计的器件进行了理论模拟和实验研究。研究结果表明，采用p-AlGaN/GaN超晶格结构电子阻挡层的器件，相比单层的AlGaN电子阻挡层结构器件电流拥挤现象得到有效缓解，电流分布更加均匀，电致发光强度得到了较大提高。
　　创新性地提出了制备p型GaN微米柱的表面微观处理技术。通过控制外延生长模式，制备出微米柱形状的p型GaN结构，可以使更多的紫外光逃逸出LED芯片外部、减少外延材料对紫外光的吸收、使紫外LED量子阱内部的应力得到弛豫。使用该技术可有效提高紫外LED的光输出功率，相对平表面紫外LED提高了约88％。还模拟了微米柱对紫外LED的影响，模拟结果显示通过优化微米柱的尺寸和密度，可进一步提升紫外LED的光电性能。为了提高紫外LED的出光效率，之前还研究了纳米压印PSS衬底对紫外LED发光性能的影响。实验结果表明，纳米压印PSS衬底的图形有利于减少光线在LED内部发生全反射的比例，可以使紫外LED的出光效率得到提升。
　　创新性地提出了原位二次生长法。即蓝宝石衬底上生长的AlGaN/GaN DBR结构在应力释放后出现裂纹，通过控制生长模式，克服由DBR裂纹引起GaN LED结构生长困难的问题，重新在有裂纹的DBR上生长出表面平整的GaN LED结构，有效提高了紫外LED的出光效率。
　　创新性地提出使用SiC衬底直接生长带有DBR紫外LED的技术。采用MOCVD方法，引入AlN/AlGaN双缓冲层来缓解应力，在6H-SiC(0001)衬底上制备了表面平坦无裂纹的Al0.2Ga0.8N/GaN DBR结构，并在其上制备高质量的紫外LED结构。这种在SiC衬底上制备带有应力缓冲层和DBR结构的紫外LED，既能发挥SiC衬底与GaN外延材料晶格匹配的优势及SiC衬底高热导率的优势，又能避免SiC衬底吸收紫外光的问题，有望在紫外LED方面得以应用。

目录

声明

摘要

图目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 紫外LED的研究进展与存在问题

1．2．1 GaN材料研究的三个突破

1．2．2 Ⅲ族氮化物材料的基本性质

1．2．3 紫外LED的研究进展

1．2．4 紫外LED研制的难点

1．3 本文主要研究思路与内容

2 GaN薄膜生长设备和表征手段

2．1 金属有机化学气相沉积法(MOCVD)介绍

2．1．1 原材料输运管道和分配系统

2．1．2 反应室

2．1．3 尾气处理系统

2．1．4 控制系统

2．1．5 原位监测系统

2．2 本文使用的MOCVD生长系统简介

2．3 GaN薄膜和器件研究中的主要表征手段

2．3．1 光致发光测试(PL)

2．3．2 X射线衍射(XRD)

2．3．3 原子力显微镜(AFM)

2．3．4 拉曼光谱(Raman spectrum)

2．3．5 扫描电子显微镜(SEM)

2．3．6 其他表征手段

3 紫光LED的制备及电子阻挡层的研究

3．1 前言

3．2 紫光LED的制备

3．3 紫光LED电子阻挡层的设计

3．4 利用APSYS模拟不同电子阻挡层的紫光LED

3．4．1 APSYS模拟紫光LED的能带图

3．4．2 APSYS模拟紫光LED的I-V特性

3．4．3 APSYS模拟紫光LED的电致发光

3．4．4 APSYS模拟紫光LED的内量子效率

3．5 紫光LED电子阻挡层的实验

3．5．1 带有不同电子阻挡层的紫光LED的制备

3．4．2 紫光LED的晶体质量

3．4．3 紫光LED的I-V特性

3．4．4 紫光LED的电致发光

3．4．5 紫光LED芯片的电流分布

3．4．6 不同注入电流下的紫光LED的光输出功率

3．4．7 紫光LED的外量子效率

3．5 小结

4 紫外LED的制备及光提取效率的研究

4．1 前言

4．2 紫外LED的制备

4．3 纳米压印PSS衬底对紫外LED亮度的提高

4．3．1 PSS衬底制备紫外LED

4．3．2 PSS衬底的表面形貌

4．3．3 不同PSS衬底制作的紫外LED外延结构的晶体质量

4．3．4 不同PSS衬底制作的紫外LED外延结构的发光性能

4．4 p-GaN微米柱的制备及对紫外LED的亮度提升

4．4．1 带有p-GaN微米柱的紫外LED的制备

4．4．2 紫外LED的表面形貌

4．4．3 紫外LED的发光性能

4．4．4 p-GaN微米柱对出光效率提升的模拟计算

4．4．5 微米柱对紫外LED光输出功率提升的原因分析

4．4．6 p-GaN微米柱对电学性能的影响

4．5 小结

5 带有DBR的紫外LED制备研究

5．1 前言

5．2 蓝宝石衬AlGaN／GaN DBR的紫外LED

5．2．1 蓝宝石衬底生长AlGaN／GaN DBR

5．2．2 二步生长法制备带有AlGaN／GaN DBR的紫外LED

5．3 SiC衬底制备带有AlGaN／GaN DBR的紫外LED

5．3．1 SiC衬底生长AlGaN／GaN DBR

5．3．2 SiC衬底生长带有AlGaN／GaN DBR的紫外LED

5．4 小结

6 结论与展望

6．1 结论与创新点

6．2 创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介