GaN发光材料MOVPE生长及LED的研究

自20世纪60年代，第一支半导体发光二极管(LED)诞生以来，Ⅲ族氮化物半导体以其寿命长、节能、色彩丰富、安全及稳定等优点，成为新一代照明器件。但氮化镓(GaN)基LED仍然存在以下几个问题:1.GaN材料主要采用蓝宝石衬底，它与GaN之间晶格失配非常大，严重影响晶体质量;2.商业化c面GaN存在的极化场导致多量子阱能带倾斜，降低发光强度;3.白光LED使用的荧光粉由稀土元素制成，其相对较短的寿命恶化了白光LED的器件寿命。<br> 本文针对GaN基LED上述问题，分别研究了a:碳纳米管图形化衬底上的GaN材料及LED器件的MOVPE生长;b:直接出射白光LED的发光机制及老化性能;c:不同缓冲层上非极性a面GaN材料的各向异性和a面LED中的关键问题，取得结果如下:<br> 1.国际上首次提出利用碳纳米管在衬底上进行纳米尺度掩膜，在其上进行GaN纳米异质外延。明确了纳米异质外延中应力弛豫和位错湮灭行为，实现了基于纳米异质外延的高质量GaN外延层和LED器件。碳纳米管掩膜的纳米异质外延对材料的应力和位错具有显著的调节作用，主要体现在:平均应力降低，同时应力的面内分布可以通过碳纳米管掩膜图形得到有效的调控;位错在碳纳米管上方空洞湮灭，密度降低。纳米异质外延的GaN晶体质量明显改善，同时1mm×1mm尺寸LED在350mA工作电流下，光功率提高37.5％，饱和光功率提高59％，饱和电流推后200mA;350μm×350μm尺寸LED在20mA工作电流下，光功率提高15％，内量子效率从29％提高至57％，饱和光功率提高60％，饱和电流推后50％。这种新型的碳纳米管作为纳米掩膜的异质外延方法有可能以其低成本、易操控、高效的优点成为一种新的GaN衬底。<br> 2.设计并生长了In组分调制的蓝绿交错量子阱，成功实现无荧光粉直接发射白光LED，并对In组分涨落引起的激子局域化行为进行了研究。通过变温PL及时间分辨PL谱研究了该量子阱中的激子行为。实验发现绿阱中的激子在温度低于170K时，稳定地局域在量子阱中的类量子点内，体现零维的激子行为，温度高于170K时，绿阱中的激子开始解局域化。蓝阱中的激子在温度低于50K时，也局域于类量子点中，温度在50K至170K之间，激子开始局域化，束缚于量子阱中;当温度继续升高至170K时，激子成为完全自由的3维激子，并补充绿阱，相对提高了绿阱的量子效率。同时，我们对无荧光粉GaN基白光LED的器件进行了老化实验。芯片的反向漏电流随着老化时间增加三个数量级，表明器件质量的恶化，但单芯片白光LED在正向电压下的光电特性并未随着老化发生明显变化。我们将这一特殊性质归因于无荧光粉白光LED特殊的发光机理。<br> 3.研究了非极性a面GaN生长过程中缓冲层对应力的影响。分别在高温AlN和低温GaN缓冲层上，利用MOVPE生长了a面GaN，通过X射线和Raman测量了非极性面内的应力。生长在高温AlN缓冲层上的a面GaN的各向异性相比于低温GaN缓冲层上的样品有所降低，同时晶体质量也有所提高。通过对比不同材料的热膨胀系数及晶格常数发现:外延片的应力主要来源于从生长温度至室温的降温过程，过大的应力将通过缺陷进行释放。R面蓝宝石与AlN在不同方向上的热失配决定了高温AlN对于a面GaN各向异性的改善。<br> 4.提出了适用于非极性面GaN的“随机位错”的X射线分析方法。基于“随机位错”理论，沿着X射线方向的位错密度、位错之间的关联长度及层错密度是三个影响X射线摇摆曲线半宽的主要因素。分析不同方位角XRD实验数据发现:位错密度及层错密度对X射线半宽各向异性没有明显作用，而位错之间的关联长度对摇摆曲线半宽影响较大。这一结果对非极性a面GaN的应力、晶体质量分析及LED制备起到了指导作用。