论文部分内容阅读
GaN基LED以其节能、环保和长寿命等优点，在照明和显示等应用领域中有非常广阔的前景，是半导体光电器件研究的热点。本论文主要对图形化蓝宝石衬底和量子阱结构对GaN基LED发光效率的影响进行了分析。
本文首先对湿法腐蚀工艺过程以及图形化蓝宝石衬底对提高LED外量子效率的作用机制进行了研究。对包括不同酸液作用，以及不同酸液配比和腐蚀温度对腐蚀图形形貌控制和腐蚀速率的影响等内容进行了分析，并使用硫酸与磷酸按体积比为1:1混合的腐蚀溶液，在280℃下，得到了由三个{1-102}r面构成侧面的平整干净的倒三角锥型的图形化蓝宝石衬底，c面腐蚀速率最大达到0.9um/min。在不同图形尺寸的蓝宝石衬底上，运用MOCVD方法生长了InGaN/GaN多量子阱结构的LED外延材料。对基于图形化蓝宝石衬底的GaN基LED的电学、光学特性分析发现，图形化的衬底界面能够减少外延材料的内部全反射，提高光萃取效率。并且随着腐蚀图形深度增加达到1um时，较基于普通蓝宝石衬底的光功率5.46mW的LED结构，提高了80.7％，达到10.45mW。
本论文工作还对比研究了InGaN/AlGaN和InGaN/GaN多量子阱LED的结构、电学特性和光学特性。利用等效电阻模型对LED的电学特性的分析结果表明，InGaN/AlGaN多量子阱LED样品，并联电阻约为8.1～8.6Ω；而InGaN/GaN多量子阱LED样品的并联电阻约为7.3～7.6Ω，基本处于同一个数量级；InGaN/AlGaN多量子阱LED的串联电阻比InGaN/GaN多量子阱LED的7.79～8.94Ω的串联电阻增大了接近一倍，约为15.53～16.59Ω，说明势垒层中的AlGaN材料明显增大了有源区的电阻率。结合XRD和TEM的观察结果，AlGaN势垒层并未显著影响有源区的晶体质量以及LED器件的结特性。光学特性的对比表明，AlGaN作为势垒层增加了LED的载流子限制作用，其光功率比InGaN/GaN结构LED有了明显提高，但热效应有了显著的增加。
对不同量子阱宽度的In0.03Ga0.97N/Al0.07Ga0.93N多量子阱LED外延片结构和芯片的电学、光学特性的研究发现，在量子阱结构的其他参数及晶体质量相似的情况下LED电学特性基本相同，3nm阱宽的InGaN/AlGaN多量子阱LED的光功率，比阱宽为2nm的LED有明显的提高，XRD和TEM的实验表明两组样品的晶体质量大致相同，而Ⅰ-Ⅴ特性对比说明两组样品电学特性相差不大，光功率的差异说明，虽然AlGaN作为势垒层提高了势垒宽度，但量子阱宽度为2nm的还是会引起载流子溢出量子阱，造成其量子限制效应不如3nm的量子阱。