壘結(jié)構(gòu)對硅襯底GaN基綠光LED性能的影響.pdf

1、GaN基LED憑借其可控的全色光譜能隙以及優(yōu)良的物理化學(xué)性能，在各種照明、背光等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，已逐步成為新一代綠色照明光源。目前LED照明的主流技術(shù)方案是“藍(lán)光LED+黃色熒光粉”合成白光，雖然可以獲得較高的光效，但色溫、顯色指數(shù)等色品質(zhì)不佳。為了獲得真正意義上的高品質(zhì)LED照明光源，白光需要采用全LED混光來實(shí)現(xiàn)，即采用紅、綠、藍(lán)三基色LED（RGB）獲得白光，這樣就可以實(shí)現(xiàn)低色溫、高顯色指數(shù)以及高效率的完美結(jié)合。而目前綠光

2、的發(fā)光效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于藍(lán)光和紅光LED，學(xué)術(shù)界稱之為“Green gap”，這也成為實(shí)現(xiàn)RGB白光光源的主要技術(shù)瓶頸。因此，進(jìn)一步提升綠光LED量子效率成為近幾年LED領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與壘之間的晶格失配導(dǎo)致量子阱中存在較大應(yīng)力，這種應(yīng)力對綠光LED的光電性能有明顯影響，但一直沒有統(tǒng)一的認(rèn)知。基于硅襯底LED技術(shù)平臺(tái)，本文通過改變壘結(jié)構(gòu)較為系統(tǒng)地研究了壘對硅襯底綠光LED應(yīng)力、光電特性、結(jié)溫特性以及老化特性的影響。獲得了以下研究成果：

3、>　　1）采用高分辨率X射線衍射（HRXRD）測試了三種不同壘結(jié)構(gòu)（壘中含InGaN、壘含AlGaN以及全GaN壘）的Si襯底GaN基綠光LED外延薄膜（1015）面非對稱衍射倒易空間分布圖，定性的表征了三種結(jié)構(gòu)量子阱的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明，壘層中引入InGaN和AlGaN均能明顯減小綠光量子阱所受的壓應(yīng)力，其中引入InGaN時(shí)所受壓應(yīng)力最小。
　　2）將上述三種壘結(jié)構(gòu)的Si襯底GaN基綠光LED外延片制作成垂直結(jié)構(gòu)芯片，研究了其變

4、溫電致發(fā)光（VTEL）性能，結(jié)果表明：在同一溫度下，隨著電流密度的增加，三種結(jié)構(gòu)的EL峰值波長均發(fā)生藍(lán)移，但程度存在差異。環(huán)境溫度為低溫13K時(shí)，隨著電流密度的增加，壘中含AlGaN的藍(lán)移量大于全GaN壘，全GaN壘和壘中含InGaN的藍(lán)移量相近。在環(huán)境溫度為300K（室溫）時(shí)，藍(lán)移量的大小也不同，大小關(guān)系為：全GaN壘大于壘中含AlGaN，壘中含AlGaN又大于壘中含InGaN。波長的藍(lán)移量與量子限制斯塔克效應(yīng)（QCSE）引起的能帶彎

5、曲量有關(guān)，藍(lán)移量越小則能帶彎曲越小。由此可見，相比全GaN壘，壘中引入AlGaN和InGaN能夠有效減小QCSE，尤其是壘中引入InGaN。這與前述三種壘結(jié)構(gòu)引起的綠光量子阱中應(yīng)力大小關(guān)系完全吻合。
　　3）對以上三種結(jié)構(gòu)的綠光LED芯片在常溫、500mA下老化500小時(shí)后，三種壘結(jié)構(gòu)的器件光衰均比較小，全GaN壘為2.47％，壘中含AlGaN為5.33%，壘中含InGaN為3.56%，三種結(jié)構(gòu)光衰的大小不同可能與結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的量

6、子阱內(nèi)部應(yīng)力大小不同有關(guān)。開啟電壓和工作電壓變化很小，最大差值分別在0.01V和0.1V左右。
　　4）對三種壘結(jié)構(gòu)的垂直結(jié)構(gòu)綠光LED芯片結(jié)溫進(jìn)行了研究，通過對從小到大一系列電流下結(jié)溫系數(shù)的測定得出：小電流下結(jié)溫系數(shù)偏差很大，其原因是芯片內(nèi)存在漏電通道，小電流測試時(shí)器件漏電流占測試電流比重大，對結(jié)溫系數(shù)影響大；大電流結(jié)溫系數(shù)偏差小，原因?yàn)榇箅娏鳒y試時(shí)漏電流達(dá)到飽和，并且占測試電流比重非常小。基于以上判斷，建立了正確測試綠光LED

7、芯片結(jié)溫的方法。并通過此方法表征了三種壘結(jié)構(gòu)綠光LED芯片結(jié)溫溫升特性，結(jié)果顯示：壘中含InGaN的綠光LED結(jié)溫溫升最小，其次是全GaN壘結(jié)構(gòu)，而壘中含AlGaN的樣品的結(jié)溫溫升值最大。
　　5）通過對壘結(jié)構(gòu)為全GaN的Si襯底GaN基綠光LED外部應(yīng)力的控制，研究分析了EL光譜隨應(yīng)力的變化規(guī)律，結(jié)果表明：在退火過程中Si襯底GaN基綠光LED薄膜GaN受到的張應(yīng)力逐漸減小，量子阱受到的壓應(yīng)力則逐漸增大，由此導(dǎo)致壓電效應(yīng)增加，量

8、子阱的量子限制斯達(dá)克效應(yīng)（QCSE）加劇，導(dǎo)致隨著外部應(yīng)力變小，光功率下降，半峰寬加大和波長增大等現(xiàn)象。此結(jié)果再此證明，減小綠光量子阱中所受的壓應(yīng)力有利于提升其光電特性。
　　6）綜上可知，減小綠光量子阱所受的壓應(yīng)力有利于提升其光電性能，通過在壘中引入InGaN和AlGaN可以有效減小綠光量子阱所受的壓應(yīng)力。綜合來看，壘中引入InGaN的綠光LED結(jié)構(gòu)性能最佳，主要表現(xiàn)為量子阱所受應(yīng)力最小，室溫下隨電流密度增大藍(lán)移量最小，結(jié)溫溫升