GaN基發(fā)光二極管器件研制及其性能的研究.pdf

1、以GaN為代表的Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料為直接帶隙材料，在光電領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，如用來制作發(fā)光二極管(LEDs)和激光二極管(LDs)等。隨著研究的深入和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，以前在LED器件和應(yīng)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中被忽視的問題逐漸顯露出來，新型LED也應(yīng)運(yùn)而生。本論文在國家973計(jì)劃 (2006CB604902)，北京市教委項(xiàng)目(kz200510005003)，北京市科委重點(diǎn)項(xiàng)目 (D0404003040221)，國家自然科學(xué)基金(60506

2、012)的支持下，前半部分主要研究了實(shí)驗(yàn)室自主研制的GaN基LED的一些性能，包括電學(xué)特性、結(jié)溫特性和光學(xué)性能，并研究了InGaN與Ni/Au的歐姆接觸特性，同時(shí)進(jìn)行了帶有ITO層的GaN基LED的研究；論文后半部分則對(duì)藍(lán)綠光雙色LED展開研究，分析了兩種新型藍(lán)綠光雙色LED的電學(xué)特性和光學(xué)性能，并指出其存在的問題及解決途徑。本論文得到了如下一些有意義和部分有創(chuàng)新性的研究結(jié)果： 1．利用變溫實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)室溫下GaN基LED的理想因子

3、遠(yuǎn)大于2，且隧穿能量隨溫度變化不大。這說明傳統(tǒng)的擴(kuò)散－復(fù)合載流子輸運(yùn)模型不再適用于InGaN/GaN多量子阱LED，其主要輸運(yùn)機(jī)制為載流子的隧穿。 2．推導(dǎo)出GaN基LED電壓－溫度變化關(guān)系式，計(jì)算結(jié)果與變溫實(shí)驗(yàn)相吻合。 3．通過對(duì)藍(lán)光和紅光LEDs進(jìn)行變電流測試，指出主要是熱效應(yīng)和極化效應(yīng)導(dǎo)致藍(lán)光LED的峰值波長發(fā)生偏移，熱效應(yīng)單獨(dú)引起峰值波長偏移的溫度系數(shù)為0.0807nm/K，并計(jì)算出量子阱中的極化強(qiáng)度為3.765

4、0MV/cm；電流注入下多量子阱中載流子分布不均勻也是影響器件峰值波長的一個(gè)因素。 4．通過對(duì)不同厚度的p-InGaN樣品進(jìn)行環(huán)形傳輸線歐姆接觸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)p-InGaN與Ni/Au的比接觸電阻隨InGaN層厚度的增大而增大，且當(dāng)InGaN層的厚度小于某一特定值時(shí)，其比接觸電阻低于p-GaN與Ni/Au的歐姆比接觸電阻，通過分析認(rèn)為這是由InGaN層的極化效應(yīng)導(dǎo)致接觸勢壘降低和載流子隧穿幾率增大造成的，但同時(shí)受樣品表面形貌和InN

5、本身固有的積累電子層的特性影響，當(dāng)InGaN層的厚度超過這一特定值后其接觸特性反而比p-GaN差。 5．通過制作不同工藝過程的GaN基藍(lán)光器件，發(fā)現(xiàn)P-GaN表面濺射Ni+ITO的器件比濺射Ni/Au的器件光功率較高，這主要是由兩個(gè)因素引起的：Ni+ITO相對(duì)Ni/Au有更高的透射率和更好的電流擴(kuò)展效應(yīng)。但由于Ni+ITO與p-GaN的歐姆接觸特性沒有Ni/Au的好，其制作出的器件電壓偏高，從而導(dǎo)致在較大的同樣大小的電流注入下，

6、表面為Ni+ITO的器件峰值波長紅移較多。 6．實(shí)現(xiàn)了單有源區(qū)和由隧道結(jié)級(jí)聯(lián)的藍(lán)綠光雙色LED的初步研制。單有源區(qū)的雙色LED，從10mA到60mA，隨注入電流增大，EL譜測試中綠光發(fā)光峰強(qiáng)度相對(duì)于藍(lán)光發(fā)光峰強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，藍(lán)、綠光發(fā)光峰強(qiáng)度比從5.7下降到1，綠光峰值波長藍(lán)移了4nm，藍(lán)光峰值波長基本不變。這是由極化效應(yīng)和載流子不均勻分布的影響造成的。雙有源區(qū)的雙色LED，當(dāng)芯片尺寸為350μm×350μm時(shí)，在20mA的注入電