高效率大功率LED的材料外延和器件研制.pdf

1、GaN基大功率LED作為第四代電光源，具有體積小、低電壓、壽命長(zhǎng)、效率高、節(jié)能等優(yōu)良特性，但目前還存在轉(zhuǎn)換效率低、光通量小、可靠性差等缺點(diǎn)。這主要是由藍(lán)寶石異質(zhì)外延GaN晶格質(zhì)量較差、GaN材料強(qiáng)烈的極化效應(yīng)、p型GaN激活效率低等原因造成。本論文利用高分辨X光衍射(HRXRD)、光熒光(PL)與芯片測(cè)試等技術(shù)，設(shè)計(jì)并優(yōu)化了底層GaN、有源區(qū)和p型層等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)工藝，有效地改善大功率LED的光電性能，主要結(jié)論如下:
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2、.PSS襯底外延GaN晶格質(zhì)量的提升:研究了濕法制作圖形化藍(lán)寶石襯底，并在其上外延GaN和LED全結(jié)構(gòu)。PL測(cè)量結(jié)果顯示PSS襯底上外延GaN的本征峰發(fā)光強(qiáng)度要明顯強(qiáng)于普通藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN的本征峰的強(qiáng)度;XRD掃描結(jié)果表明，PSS襯底上GaN樣品的晶體質(zhì)量相對(duì)于普通藍(lán)寶石襯底上的GaN得到明顯提高。對(duì)PSS襯底上外延LED全結(jié)構(gòu)的研究表明:相同規(guī)格的PSS襯底，無(wú)C面LED比有C面LED包燈光功率高，隨著PSS圖形深度增加，LE

3、D光功率增加，但深度增加到一定程度時(shí)，由于外延生長(zhǎng)困難度的增加，晶體生長(zhǎng)質(zhì)量下降，反面會(huì)引起LED亮度的下降。另外，隨著PSS襯底圖案間距的減小及PSS襯底圖案尺寸的增大，LED光功率也會(huì)增加。
　　 2.有源區(qū)超晶格結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)與分析:研究了InGaN/GaN應(yīng)力釋放層的生長(zhǎng)和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著SLloop數(shù)的增加，亮度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，是因?yàn)镾L厚度較薄時(shí)緩沖作用占主導(dǎo)，繼續(xù)增加厚度時(shí)SL晶格質(zhì)量變差占主導(dǎo);研究了MQW的亮

4、度和電壓隨QB厚度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著MQB的厚度增加，亮度也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，是因?yàn)镸QB厚度較薄時(shí)，壘對(duì)晶格質(zhì)量的改善占主導(dǎo)作用，厚度繼續(xù)增加時(shí)，壘對(duì)空穴遷注入的抑制占主導(dǎo)作用;研究了采用p型AlGaN/InGaN超晶格對(duì)亮度和電壓的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著p-AlGaN/p-InGaNloop數(shù)增加，亮度呈先上升后下降的趨勢(shì)，是因?yàn)閜-AlSL結(jié)構(gòu)阻擋了躍遷進(jìn)入p-GaN的電子，減少非輻射復(fù)合的作用占主導(dǎo)，loop數(shù)繼續(xù)增加時(shí)，p

5、-AlSL結(jié)構(gòu)對(duì)空穴的阻擋作用占主導(dǎo)。
　　 3.p型接觸層的生長(zhǎng)與分析:隨著高摻p型GaN(p++)厚度的增加，LED電壓先降低后升高，這是因?yàn)榻鸢虢佑|會(huì)產(chǎn)生很高的勢(shì)壘，而高摻的p++層可以使勢(shì)壘區(qū)寬度變薄，從而增強(qiáng)隧穿效果以降低電壓。但是載流子隧穿幾率隨勢(shì)壘變寬而明顯下降，導(dǎo)致電壓升高;另一方面隨著Mg摻雜的提高，空穴濃度增加，電阻率減小，電壓降低。最后過(guò)高的Mg摻雜惡化了晶格質(zhì)量，自補(bǔ)償效應(yīng)顯著，空穴濃度變低，勢(shì)壘厚度變大

6、，載流子隧穿幾率變小，導(dǎo)致電壓升高;在p型InGaN接觸層，當(dāng)InGaN接觸層由0.9nm加厚至2.3nm時(shí)，InGaN層提供的空穴濃度得到提升，有利于降低接觸電阻從而降低電壓，但是當(dāng)InGaN層進(jìn)一步加厚時(shí)，勢(shì)壘高度和寬度進(jìn)一步增加，隧穿效應(yīng)變?nèi)?，?dǎo)致電壓逐漸升高。
　　 4.高效率大功率LED的設(shè)計(jì)與性能:根據(jù)上述各關(guān)鍵層生長(zhǎng)條件優(yōu)化的結(jié)果，在優(yōu)化后的PSS襯底上外延GaN層，20周期的InGaN/GaN超晶格作為應(yīng)力釋放層

7、和10周期的MQW有源區(qū)為發(fā)光層，6周期的p型AlGaN/InGaN超晶格作為電子阻擋層和200nm的p型GaN，接觸層包括p++GaN和p型InGaN層。制作的50mil*50mil大功率LED芯粒全測(cè)LOP均值在430mW左右，VF均值在3.1-3.3V之間分布。包白燈亮度在140-150lm，光效在130-135lm/W，色溫5000K，顯色指數(shù)70附近，色坐標(biāo)數(shù)據(jù)正常，已經(jīng)達(dá)到110lm/W的項(xiàng)目指標(biāo)。結(jié)果得到700mA電流驅(qū)動(dòng)