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Ⅲ族氮化物半导体近年来被大量研究,因其优异的材料特性成为目前主流材料之一,被广泛地应用于发光二极管(LED)、半导体激光器、太阳能电池等方面。Ⅲ族氮化物半导体LED是21世纪最具发展前景的高技术照明光源。作为新型高效固体光源,其具有节能、环保等显著优点,将是人类照明史上继白炽灯、荧光灯、高压气体放电灯的又一次飞跃。因而大量科研人员投入到白光LED技术的研发中。
目前,白光LED的制作主要有两种主流技术,一是RGB(红绿蓝)三色LED混色合成白光；二是蓝色、紫色或紫外LED激发荧光粉混色合成白光。方法一的驱动电路比较复杂,而且由于红、绿、蓝LED的光学参数随着温度的升高而变化各异,因此这样合成的白光LED的输出功率、峰值波长对温度、时间、注入电流的变化非常敏感,导致了它的不稳定性,因而在实际应用中,容易出现偏色和各角度色差等问题。方法二虽然结构简单、便于实现,但由于荧光粉的无辐射复合使得LED效率下降,转化效率低。同时老化实验表明,荧光粉的劣化是LED寿命缩短的一大原因。而双波长LED无需使用荧光粉,通过控制两种阱的发光强度来调节双波长LED发光光谱,使发出的光为白光。这种无需使用荧光粉而实现白光的方法相比之前的方法有其独特的优越性。为此,科研人员把目光投向双波长的制作上来。
Efficiency droop现象(随着正向电流的逐渐增大,LED的量子效率大幅下降)限制了LED大功率方面的应用。因而大量科研人员对此进行了深入的研究,虽然有许多研究成果被报道,但是引起efficiency droop现像的机制并不是很清楚,因此还没有有效的方法来解决此问题。有两个原因被广大科研人员所认同。一是载流子注入效率不高所导至的活性层中载流子分配不均的问题；另一个是溢出电流的问题。对此,本文也进行了深入的探讨。
本文对双波长LED进行了深入的研究,对双波长的制作起到指导作用。获得了如下有创新和有意义的研究结果:
1、采用软件理论分析的方法对p型及n型掺杂的GaN间隔层在InGaN/GaN多量子阱双波长发光二极管中对光谱调控作用进行模拟分析。分析结果表明,掺杂的GaN间隔层的引入,可以有效地控制备阱中的电子或空穴浓度,很好的解决了双波长发光二极管中两种阱发光强度不均的现象,并且通过控制阻挡层的厚度,可以调控两种阱中的载流子浓度,从而调控发光峰的相对强度。以上结果,可以归结于掺杂GaN间隔层对电子或空穴的阻挡作用。
2、采用软件理论分析的方法对不同掺杂类型的GaN间隔层和量子阱垒层在InGaN/GaN多量子阱双波长发光二极管中对发光光强、内量子效率、电子空穴浓度分布、溢出电流等作用进行模拟分析。分析结果表明,p型掺杂的GaN间隔层与量子阱垒层的引入同不掺杂和n型掺杂两种类型比较,可以大大减少溢出电子流,极大地提高各量子阱内空穴浓度,提高双波长发光二极管的发光强度,极大的改善内量子效率随电流增大而下降问题。
3、采用软件理论分析的方法分析了InGaN/GaN量子阱数量变化对双波长发光二极管发光光谱、内量子效率、电子空穴浓度分布、溢出电流等产生的影响。分析结果表明,量子阱数量的增加会引起载流子分配不均的现象,所以量子阱数量的增加并不能有效地提升载流子复合率、内量子效率和发光强度,反而会引起开启电压升高的现象,影响能量转化效率。此外,不同波长的量子阱数量的增加会引起发光光谱强度的变化。