高In组分氮化镓基LED结构设计与生长工艺研究
采用多色LED芯片组合可以提供更优质、更稳定、有良好色温可调性的“智能化”白光光源，是白光照明未来的方向，在显示和可见光通信等领域也具有良好的应用前景。但是InGaN材料难于制成高效绿光LED芯片，形成了“绿隙”现象。在人眼最敏感的深绿波段(540 - 570 nm)实现“绿隙”的填补，已成为近年来LED界亟待突破的目标之一。因此，高效GaN基绿光LED的制备技术成为了当前的研究热点，具有重要的研究意义和良好的应用前景。 本文研究高In组分GaN基LED的金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)外延生长技术，首先研究了InGaN材料的外延生长工艺，比较生长参数对p型InGaN材料In组分和掺杂的影响，研究了高In组分InGaN/GaN多量子阱材料的生长工艺；然后从外延结构的角度出发，对GaN基绿光LED的外延结构进行优化设计，提出了不同的外延结构，以提高GaN基绿光LED的发光效率和输出光功率。主要的研究内容如下： 1、对p型InGaN材料和高In组分InGaN/GaN多量子阱材料的外延生长工艺进行研究。在GaN薄膜上外延生长InGaN薄膜，比较了生长温度、TMIn流量、反应室压强等生长参数对p型InGaN的In组分、载流子浓度和迁移率的影响。In组分是影响p型InGaN的空穴浓度和迁移率的主要因素，In组分越高，空穴浓度越高，迁移率越低。相比于固定In组分的p型InGaN，In组分沿生长方向递减的p型InGaN能同时得到较高的空穴浓度和迁移率。对于高In组分的InGaN/GaN多量子阱材料，比较了不同生长温度和厚度的InGaN势阱层的In组分和光致发光(PL)特性。为了提高量子阱中的In组分，并保持较高的量子阱效率，我们提出超薄高In组分量子阱。将InGaN势阱层的厚度从3nm减薄到1.1nm，在770℃的生长温度下，生长出In组分达到33.5%的InGaN/GaN多量子阱材料，PL峰值波长超过550nm，内量子效率为53.8%。 2、制作了一种纳米微米复合图形化蓝宝石衬底(NMCPSS)，以提高GaN基绿光LED的光萃取效率。以Ni纳米颗粒作为掩模，通过等离子耦合刻蚀(ICP)设备对普通的微米尺寸PSS进行干法刻蚀，可以得到这种NMCPSS，再利用这种NMCPSS作为衬底，生长GaN基绿光LED外延。通过实验和仿真，研究了这种NMCPSS对GaN基LED的输出光功率的影响。相对于PSS上的GaN基绿光LED，NMCPSS上的GaN基绿光LED在20mA下的输出光功率提高了28.6%。实验和仿真结果表明，与传统PSS相比，NMCPSS可以进一步提高GaN基绿光LED的光萃取效率。 3、针对InGaN/GaN多量子阱内极化电场强度大的问题，提出了pn结GaN势垒以及In组分和厚度渐变的InGaN/GaN多量子阱结构。通过对GaN势垒层进行p型和n型掺杂，形成pn结GaN势垒以取代传统的非故意掺杂GaN势垒。测试结果表明，具有pn结GaN势垒的GaN基绿光LED，输出光功率相对于普通GaN基绿光LED提高了20.2%，峰值波长从521.8nm下降为505.9nm。仿真结果表明，pn结GaN势垒能够有效地减弱InGaN量子阱中的静电场强度，提高电子空穴波函数的重叠，提高辐射复合效率，从而提升GaN基绿光LED的光电性能。此外，pn结GaN势垒可以降低GaN基LED的电容，有利于GaN基LED在可见光通信中的应用。在In组分和厚度渐变的InGaN/GaN多量子阱结构中，沿生长方向从下往上，前面几个InGaN势阱层的In组分低而厚度大，后面几个InGaN势阱层的In组分高而厚度小，并且前面的几个InGaN势阱层是In组分和厚度渐变的量子阱，可以起到应力释放层的作用，能够降低上方的几个量子阱中的极化电场强度，进而提高GaN基绿光LED的发光效率。 4、针对GaN基绿光LED的空穴注入效率低的问题，设计了一种In组分连续渐变的p型InGaN导电层和一种Al组分渐变的p型AlGaN导电层，代替传统GaN基LED外延中的p型AlGaN电子阻挡层和p型GaN导电层。该p-InGaN的In组分沿着生长方向从下往上，从10.4%逐渐降低至0%。而Al组分渐变的p型AlGaN导电层的特征是Al组分沿生长方向从下往上逐渐增加。这两种组分渐变的p型InGaN导电层和p型AlGaN导电层提高了空穴注入多量子阱的效率，进而提高了辐射复合速率，提高GaN基绿光LED的输出光功率和发光效率。此外，还能避免高温生长过程对InGaN/GaN多量子阱的热损伤。根据测试结果，相比于普通GaN基绿光LED，具有In组分渐变p型InGaN导电层的GaN基绿光LED，发光强度提高了13.7%，而具有Al组分渐变p型AlGaN导电层的GaN基绿光LED，输出光功率提高了69.2%。
氮化镓基LED;外延生长;In组分;发光效率
华南理工大学
博士
物理电子学
王洪
2019
中文
TN312.8
2020-07-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）