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GaN基发光二极管电流输运与电致发光特性的研究

GaN基发光二极管电流输运与电致发光特性的研究

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作者：江蓉南京大学

学位级别：硕士

Ⅲ族氮化物,包括InN,GaN,AlN以及它们的合金。因为它们具有直接带隙结构,而且其带隙宽度从0.7eV到6.2eV连续可调,很适合用以制造固态发光和照明器件,其光电方面的广阔应用前景受到人们的广泛关注。到现在为止,Ⅲ族氮化物在发光领域取得... 详细信息

Ⅲ族氮化物,包括InN,GaN,AlN以及它们的合金。因为它们具有直接带隙结构,而且其带隙宽度从0.7eV到6.2eV连续可调,很适合用以制造固态发光和照明器件,其光电方面的广阔应用前景受到人们的广泛关注。到现在为止,Ⅲ族氮化物在发光领域取得了极大的成功,蓝光发光二极管（LED）已经实现商业化,但是其他波长的LED器件,特别是绿光LED器件和深紫外LED器件的发展还相对不成熟,不论是器件工艺还是物理机制都有待更深入的研究。当前在普通照明领域,GaN基LED效率是阻碍其快速发展的瓶颈,而LED器件的外量子效率随着电流的增大而降低,即众所周知的效率弱化现象,是发展大功率LED芯片的一个重要障碍。为了降低在单位面积上每流明的芯片成本,GaN基LED必须要工作在较高的电流密度下,因此它的效率弱化问题必须解决。绿光LED多量子阱层的In组分很高,会形成很强的极化场和局域化效应,这使得绿光LED的效率弱化机制比蓝光LED更为复杂。本文首先研究了Ⅲ族氮化物绿光发光二极管在温度由300K升高到480K的效率弱化效应随温度的变化关系。并与相同结构的蓝光和紫光LED进行了对比。通过对器件在升温过程中的伏安特性、发光强度和光谱形状的分析,我们得到,随着温度的升高,InGaN量子阱区的去局域化效应是造成绿光和蓝光LED的变温效率弱化效应差异的主要因素,也是影响器件效率弱化效应的重要因素之一。 AlGaN的深紫外LED的研究在近些年来受到了众多科学家的重视,但是尽管它们具有很值得期待的应用前景,其研究仍处于早期阶段,器件的很多物理机制还不清楚。本文对发光峰位为290nm的A1GaN深紫外发光二极管（LED）从300K到480K的电流-电压（I-V）特性和电致发光（EL）特性进行了测量和表征。然后,重点讨论了其中的反向漏电流机制、自热效应对器件发光的影响和器件的效率弱化效应的机制。首先我们结合文献中提出的缺陷是深紫外LED反向漏电的主要通道,提出了一个解释深紫外LED反向漏电流机制的唯象模型,并通过器件的I-V特性曲线得到了很好的证明。其次,我们通过分析器件正向I-V特性和发光光谱中的次生峰,得出p型A1GaN材料中的空穴离化能很高,深紫外LED量子阱区中空穴的供应不足,从而使电子很容易泄露到p型区。而观察到的器件的变温发光特性,包括器件在300K附近时随着温度的升高的效率增加以及器件的效率弱化效应,都是温度的升高对器件的发光产生两个影响：非辐射复合中心的增加和空穴离化的增加来解释共同作用的结果。最后我们还通过比较直流和不同占空比脉冲电流时器件的光谱,发现自热效应在小电流时对于提高器件的发光效率是有利的,但是在大电流下会加剧器件的效率随着电流增大的弱化效应。因此,在实际应用中讨论深紫外LED在直流大电流注入时的工作模式时,既要考虑由电子泄露造成的效率弱化,还要考虑自热效应的热作用造成的效率弱化。

关键词：发光二极管 Ⅲ族氮化物半导体效率弱化载流子局域效应深紫外发光二极管隧穿电流空间电荷限制电流 Poole-Frenkel效应电子泄露自热效应

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