GaN基发光二极管器件研制及其性能的研究

摘要

以GaN为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料为直接带隙材料，在光电领域有着广阔的应用前景，如用来制作发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)等。随着研究的深入和应用范围的扩展，以前在LED器件和应用产品设计过程中被忽视的问题逐渐显露出来，新型LED也应运而生。本论文在国家973计划 (2006CB604902)，北京市教委项目(kz200510005003)，北京市科委重点项目 (D0404003040221)，国家自然科学基金(60506012)的支持下，前半部分主要研究了实验室自主研制的GaN基LED的一些性能，包括电学特性、结温特性和光学性能，并研究了InGaN与Ni/Au的欧姆接触特性，同时进行了带有ITO层的GaN基LED的研究；论文后半部分则对蓝绿光双色LED展开研究，分析了两种新型蓝绿光双色LED的电学特性和光学性能，并指出其存在的问题及解决途径。本论文得到了如下一些有意义和部分有创新性的研究结果： 1．利用变温实验发现室温下GaN基LED的理想因子远大于2，且隧穿能量随温度变化不大。这说明传统的扩散－复合载流子输运模型不再适用于InGaN/GaN多量子阱LED，其主要输运机制为载流子的隧穿。 2．推导出GaN基LED电压－温度变化关系式，计算结果与变温实验相吻合。 3．通过对蓝光和红光LEDs进行变电流测试，指出主要是热效应和极化效应导致蓝光LED的峰值波长发生偏移，热效应单独引起峰值波长偏移的温度系数为0.0807nm/K，并计算出量子阱中的极化强度为3.7650MV/cm；电流注入下多量子阱中载流子分布不均匀也是影响器件峰值波长的一个因素。 4．通过对不同厚度的p-InGaN样品进行环形传输线欧姆接触实验，发现p-InGaN与Ni/Au的比接触电阻随InGaN层厚度的增大而增大，且当InGaN层的厚度小于某一特定值时，其比接触电阻低于p-GaN与Ni/Au的欧姆比接触电阻，通过分析认为这是由InGaN层的极化效应导致接触势垒降低和载流子隧穿几率增大造成的，但同时受样品表面形貌和InN本身固有的积累电子层的特性影响，当InGaN层的厚度超过这一特定值后其接触特性反而比p-GaN差。 5．通过制作不同工艺过程的GaN基蓝光器件，发现P-GaN表面溅射Ni+ITO的器件比溅射Ni/Au的器件光功率较高，这主要是由两个因素引起的：Ni+ITO相对Ni/Au有更高的透射率和更好的电流扩展效应。但由于Ni+ITO与p-GaN的欧姆接触特性没有Ni/Au的好，其制作出的器件电压偏高，从而导致在较大的同样大小的电流注入下，表面为Ni+ITO的器件峰值波长红移较多。 6．实现了单有源区和由隧道结级联的蓝绿光双色LED的初步研制。单有源区的双色LED，从10mA到60mA，随注入电流增大，EL谱测试中绿光发光峰强度相对于蓝光发光峰强度不断增强，蓝、绿光发光峰强度比从5.7下降到1，绿光峰值波长蓝移了4nm，蓝光峰值波长基本不变。这是由极化效应和载流子不均匀分布的影响造成的。双有源区的双色LED，当芯片尺寸为350μm×350μm时，在20mA的注入电流下，该器件的光功率为4.78mW，光通量为1 lm，发光效率为4.31m/W，两个有源区的发射波长分别为454nm和522nm。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2 GaN及GaN基发光二极管发展简介

1.2.1 GaN材料的特性及发展

1.2.2 GaN基发光二极管的发展

1.3 LED的应用及前景

1.4本论文的主要研究工作

第2章GaN基蓝光LED电学特性分析

2.1引言

2.2 LED器件工作原理及电学特征参数

2.2.1 LED的工作原理

2.2.2电学特征参数

2.3电压温度系数的计算

2.4理想因子的计算

2.4.1电流电压特性的变温实验

2.4.2结果与讨论

2.5本章小结

第3章GaN基蓝光LED光学性能的分析

3.1引言

3.2 LED器件光电特征参数

3.3光功率随注入电流变化的分析

3.4峰值波长随注入电流变化的分析

3.4.1实验现象及分析

3.4.2峰值波长红移温度系数的计算

3.4.3多量子阱中场强的计算

3.5本章小结

第4章p-InGaN层的欧姆接触特性及其器件研究

4.1引言

4.2欧姆接触

4.2.1欧姆接触形成机理

4.2.2圆形传输线模型测量欧姆接触电阻率的原理

4.3 p-InGaN层与Ni/Au的欧姆接触实验

4.3.1实验过程和结果

4.3.2分析与讨论

4.4带有p-InGaN层的LED器件相关实验及结果

4.5本章小结

第5章带有ITO的GaN基发光二极管特性研究

5.1引言

5.2 GaN基器件的ITO实验

5.3本章小结

第6章蓝绿光双色LED的研制

6.1引言

6.2单有源区蓝绿光双色LED

6.2.1样品准备

6.2.2实验结果与分析

6.3双有源区隧道再生蓝绿光双色LED

6.3.1隧道结原理

6.3.2实验与器件原理

6.3.3结果与讨论

6.4本章小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢