论文部分内容阅读
自20世纪90年代以来，随着材料外延技术的进步和器件制备技术的发展，氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)得到了迅猛发展。GaN基LED以其长寿命、高亮度、低损耗以及绿色环保等优良特性迅速在LED商业市场获得广泛应用。目前，在图像显示、背光源、全彩色LED显示等领域发挥着不可替代的作用。而在家用照明方面，GaN基LED有望取代传统照明，成为下一代照明光源。 随着GaN基LED应用领域的不断扩展和对其光电特性研究的不断深入，一些重要的技术难题摆在了科研人员的面前。效率下降(efficiency droop)现象，即在大驱动电流下出现的内量子效率衰退现象已经成为了制约GaN基LED取代传统照明的重大障碍，也使得大功率的商用LED应用范围受到限制。目前，LED效率下降已经成为了LED领域的重要研究课题，引起了全世界科研人员的广泛关注。结温效应、载流子非局域化效应、俄歇复合效应、极化效应和载流子泄漏等物理现象被广泛讨论。但是，时至今日，对LED效率下降的根本机制认识仍不十分清楚，很多关键问题仍有待进一步深入研究。 由于商业应用领域对LED大驱动电流不断提高(350mA以上)，发生在LED的p型层(空穴注入层)的电子泄漏现象对于LED器件发光性能的影响变得日趋严重，成为近年来效率下降机制问题研究的热点。综合目前的研究现状，电子泄漏现象主要由以下几个方面因素影响： (1)极化效应因素。GaN基LED的外延生长通常是沿GaN薄膜极性轴(c轴)方向生长，因而在[0001]方向会出现强烈的极化效应，产生较强的自发极化和压电极化静电场，造成能带弯曲效应，进而导致严重的电子泄漏。 (2)电子阻挡层(EBL)的不充分阻挡因素。传统的AlGaN材料和GaN垒层材料之间存在着严重的晶格匹配问题，这会导致在EBL与GaN层交界处的极化增强，进而降低了EBL的有效电子势垒高度，无法有效阻挡电子泄漏。 (3)量子阱中载流子浓度分布不均衡因素。大量电子在p型层泄漏会导致空穴的注入困难，从而引起各活性层量子阱中载流子分布失衡，空穴浓度仅分布于最靠近p型注入层的少数几个量子阱中，因而导致发光性能严重下降。 本文对GaN基LED的结构进行了多种优化设计并对其光电特性机制加以讨论，获得了以下一些有意义的研究结果： 1.研究了分别采用InAlNEBL和AlGaNEBL的多量子阱LED光电特性。模拟结果表明，InAlN材料和GaN垒层较好的晶格匹配质量有效降低了极化效应形成的静电场，从而提高了EBL的有效电子势垒高度。电子泄露和效率下降也因此得到改善。 2.研究分析采用渐变型AlxGa1-xN(x：0～20％)材料作为电子阻挡层结构对传统LED光电特性的改进。模拟结果显示，采用该结构能够大大降低界面处的极化静电场，改善能带的弯曲现象，获得较好的LED发光特性。 3.研究了选择性p型掺杂量子阱垒层在InGaN双波长LED中光谱调控的作用.模拟结果表明，选择性p型掺杂对量子阱中电子和空穴浓度分布的均衡性起到一定的调控作用，能够改善量子阱中载流子的辐射复合速率，降低溢出电子浓度，并且提高内量子效率和改善效率下降.随着活性层量子阱增加到特定数量，LED芯片的双波长发光峰强度达到基本均衡。 4.研究了GaN基双波长LED中的p型掺杂量子阱垒层和改变特定活性层量子阱数量等新结构特性。与传统LED结构相比较，新结构能有效的改善效率下降现象，并增强发光光谱强度。当采用特定数量的量子阱时，双发光峰分布较为均衡。 5.研究了渐变型量子阱垒层厚度的InGaN双波长LED的光电特性.研究发现，当以特定的方式从n电极到p电极方向渐变量子阱垒层厚度时，活性层量子阱的电子泄漏得到有效的控制，双发光峰强度达到基本一致，同时效率下降现象得到了有效控制，且具备大驱动电流下较好的发光特性。