GaN基LED器件的结构设计及模拟

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随着GaN基Ⅲ-Ⅴ族化合物技术的发展和蓝光LED的实现,人们已经可以获得实现白光发光的三基色发光二极管。目前商用白光LED的实现方案主要是通过蓝光LED芯片结合黄光YAG∶ Ce荧光粉来实现的。这种方法在一定程度上增加了工艺步骤,提高了成本,因此实现单芯片白光发光成为研究热点,而其中一种便是双波长白光LED结构。然而,双波长LED也面临一些问题,比如效率下降问题,并且由于双波长LED中的浅阱的载流子限制能力低,因此它的辐射复合速率远低于深阱的辐射复合速率,两个峰值波长的发光强度就会有很大差别,无法达到预期发光效果。  而对目前商用白光LED来说,需要在高的驱动电流下也能实现高光效。这就意味着“效率下降”成为GaN基高亮度LED在未来应用中的一个受到广泛关注的问题。“效率下降”是指量子效率随着注入电流的增加而单调减少,研究人员对此现象有很多种解释,如有源区的电子泄漏,俄歇复合,极化效应,空穴注入效率等等。但是,目前没有解决此问题的有效方法。  本文针对以上问题,对不同的LED结构进行了系统的理论研究,获得了如下研究结果:  1.通过将最后两个GaN垒层改变为InGaN垒层,由于晶格更匹配,极化效应减小,电子有效势垒高度增加,漏电流降低。模拟结果还表明了当最后两个GaN垒层改变为InGaN垒层时,效率下降得到了明显改善,发光强度得到了增强。  2.通过将量子阱的结构调整成凹形结构,由于极化场引起的能带弯曲减弱,因此电子有效势垒高度增加,电子被有效抑制,电子溢出明显降低。模拟结构还表明了当量子阱的结构调整成凹形结构时,效率衰减现象得到改善,光输出功率更高,辐射复合速率和内量子效率也得到明显改善。  3.通过将传统结构中的AlGaN EBL去掉,而在n型GaN层和有源区之间插入超晶格结构,由于超晶格结构起到蓄积电子的作用,所以电子溢出明显改善,而在一定程度上阻挡空穴注入的AlGaN EBL的去掉,提高了空穴注入效率,通过新结构的使用,效率衰减现象得到改善,光输出功率更高,漏电流降低,辐射复合速率和内量子效率也得到明显改善。
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