GaN基紫外LED的可靠性研究

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以GaN为代表的III族氮化物材料凭借其优良的电学性能和稳定的化学性质在诸多行业得到了广泛的研究和应用。特别是它们的禁带较宽,通过调制各组分,理论上可以制作从红外到紫外的所有波段的发光二极管(LED)。目前,可见光谱范围内的LED已经相当成熟,但是对于紫外波段的LED不论是在发光效率还是使用寿命上都还远远达不到人们的要求。因此,如何提高紫外LED的性能和可靠性已经成为人们争相研究的热点和难点。本文对GaN基紫外LED可靠性的研究主要基于半导体材料缺陷对器件光、电性能的影响,并进一步通过实验研究了缺陷在GaN基紫外LED的漏电流产生过程中所起到的作用。  首先,基于目前的大量研究,分析并总结了引起GaN基LED退化的主要机理,包括:半导体材料的退化、互联线的退化以及封装材料的退化。其中,半导体材料退化的主要方式为材料缺陷的增殖和移动、掺杂剂的扩散等。这些退化不仅会增加LED有源区中的非辐射复合中心,同时还会增加器件的漏电通道,是GaN基LED可靠性较差的最主要因素。  随后,利用Silvaco Atlas半导体仿真工具建立350 nm的GaN基紫外LED的仿真结构,并分别在有源层与p型层和n型层的界面上引入缺陷后,研究器件所受到的影响。研究结果表明,界面缺陷浓度的增加、俘获截面的增大均可以加剧器件光、电特性的退化,并发现相比于p型层/有源层界面缺陷,含n型层/有源层界面缺陷的器件其开启电压前的漏电现象更为明显。另外,空穴的迁移率更易受到温度的影响,因此随着温度的升高,导致含p型层/有源层界面缺陷器件的光特性退化更为严重。  最后,对峰值波长为380 nm的GaN基紫外LED进行变温电特性测试,分别进行了正向开启电压前和反向电压下该器件的漏电特性分析。研究结果表明,在正向开启电压前出现的漏电流是由于电子通过有源区中的缺陷态进行“对角隧穿”,并同时伴随有非辐射复合过程而形成。而在反偏情况下,器件漏电流的输运过程为:p区电子被空间电荷区中的缺陷俘获之后,通过Poole-Frenkel发射机制最终进入n区,形成漏电流。随后,进一步提取出了存在于空间电荷区中的三种缺陷,它们的激活能分别为0.05 eV、0.09 eV和0.11 eV。
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