硅衬底上GaN基LED器件研究

论文总字数：18830字

目 录

一．绪论 1

1.1 GaN基LED器材的研究背景..............................................1

1.2 GaN基LED器件的发展历程和现状........................................1

1.3本文的主要工作........................................................2

二．GaN基本性质以及InGaN/GaN LED 原理 2

2.1 GaN的基本性质 2

2.1.1 物理性质........................................................2

2.1.2 晶格结构........................................................2

2.1.3 电学性质........................................................3

2.1.4 光学性质........................................................3

2.2 LED的发光原理及GaN基LED 3

2.2.1 LED原理简析....................................................3

2.2.2 GaN基LED基本结构..............................................3

2.2.3 InGaN/GaN多量子阱..............................................4

2.3 衬底材料分析.....................................................................................................................5

2. 3. 1 常用衬底材料....................................................................................................5

2. 3. 2 Si（110）与Si（111）.....................................................................................5

三．对样品实验结果的相关拟合与分析 5

3.1 X射线衍射光谱以及I-V曲线.............................................5

3.2 光致发光（PL）测试....................................................6

3.3 通电发光（EL）测试...................................................13

四. 总结与展望...........................................18

参考文献.................................................20

致谢.....................................................21

硅衬底上GaN基LED器件研究

张书萌

，China

Abstract: Today, in an increasingly tense energy supplies, the improvement of lighting method gradually become the urgent matter of the subject. Compared to traditional lighting, light emitting diode (LED) has a low energy consumption, safety and environmental protection, long service life, fast response speed, small volume and other obvious advantages. With the continuous improvement of the LED output power, brightness also gradually catch up with the traditional lighting system, which makes its advantage further. Beyond many LED materials, GaN-based material, as the most promising Ⅲ group nitride semiconductor materials are gradually taken seriously. As GaN LED substrate materials, silicon (Si) substrate beat traditional sapphire substrate with high thermal conductivity, high electrical conductivity, low cost. In this paper, the physical and chemical properties of GaN-based semiconductor and the characteristics and optoelectronic performance of GaN LED will be analyzed and investigated. GaN base under the Si substrate to focus on the structure of LED, with the electroluminescence (EL) of the sample data and photoluminescence (PL) data curve drawing intends to merge with Origin analyze. Base on the data, we further study the optoelectronic performance of the InGaN/GaN multiple quantum wells LED devices on Si(110) and Si(111) substrates.

Key words：Silicon substrates; InGaN/GaN; multiple quantum wells; light emitting diode (LED)

一 绪论

1.1 GaN基LED器材的研究背景

目前，能源短缺正日益成为困扰全世界的问题，如何在有限的资源下减少能耗成为当务之急的课题。据统计，全球约五分之一的电力资源消耗来自照明能耗，因此从照明节能入手能够为节能减排带来显著的贡献。在发光照明领域，传统的白炽灯长期占据主要地位，其拥有很好的发光强度，但伴随而来的是高能耗。作为解决这一问题的新一代发光器材，发光二极管在近几年发展迅速，比起早期LED，如今LED的发光强度有了显著提升，这使得其在能源短缺的今天受到空前重视。比起传统照明方式，LED除了更节能以外，还兼具光提取率高，器材寿命长，结构坚固耐用以及制作材料和使用后的更换更加环保等显著优势。GaN基LED是新一代的半导体材料，与碳化硅、氧化锌和金刚石一样都是第三代半导体材料。^[1.2]第三代半导体材料比起前辈们的优势集中体现在其击穿电压高、电子漂移速率更大和热稳定性更好。（第一代的LED材料代表是单晶硅，第二代的为砷化镓）。GaN基LED对我国乃至世界发光行业的绿色发展有着重大且长足的意义。因此，GaN基LED的研究在近来来开始被广泛涉及。

1.2 GaN基LED器件的发展历程和现状

早在1994年，日亚公司的Nakamura 就率先完成了GaN 基 LED 的首次商业化尝试[3]。目前的GaN基LED器材主要针对绿光和蓝光波段，已经有一部分应用到日常照明器材和显示器制作中。实际应用的需求促进了学术界对GaN基LED材料和器件的研究。就衬底材料而言，对于大部分LED材料而言，以自己本身作为衬底（同质衬底）都是利于发挥材料光电特性的最佳选项。但是，由于GaN的生长成本较高，现有的GaN基LED绝大部分是生长在异质衬底上的，其常见衬底材料包括碳化硅（SiC），蓝宝石以及本文的重点单晶硅（Si）。目前GaN基LED商业应用上最广泛的衬底为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底制作所使用的熔体法技术生长工艺成熟，比较容易获得成本低、尺寸大且质量高的优质单晶衬底，非常便于产业化生产。因此现在市场上占有率最高的GaN基LED材料所使用的衬底材料都是蓝宝石。不过蓝宝石C面与GaN的晶格失配13.9%，热失配30%，容易造成能量的损耗。这些缺陷在缓冲层技术（buffer layer）图形化衬底技术（patterned sapphire substrate, PSS）和外延生长技术（lateral epitaxial overgrowth, LEO）的出现后有了很大的缓解。SiC是市场占有率第二的衬底材料，在晶格失配方面SiC有着更大的优势，它与GaN之间的晶格失配很小（仅有3.5%）。由于SiC与GaN 之间的润湿性较差, 在生长之前一般会在GaN与SiC增加一层缓冲层[4] 。SiC的导电性能良好，可以用来制作垂直型LED。由于垂直制备的工艺更为简单，因此使用这种方式制作的SiC衬底LED要比以传统水平制备的蓝宝石衬底上生长的LED对正向电流的承受能力更高。不过，要生长大尺寸、高质量SiC单晶就不那么容易了， 若制作同样尺寸的衬底材料，SiC 衬底价格是蓝宝石衬底好几倍, 这种价格的巨大劣势对SiC的大规模应用有着不小的限制[5]。本文的重点研究对象是Si衬底，作为已经在LED衬底材料家族中驰骋数十年（作为其他材料的衬底材料）的衬底材料，Si衬底在价格方面与比起SiC和蓝宝石有着明显的优势。第一个Si衬底GaN基LED在1999年出现[6], 三年Si衬底GaN基 LED于首次商品化，不过在商品化之初，GaN基LED与它在蓝宝石和SiC衬底上的竞争对手在光输出率方面相差较大，因而并没有被广泛使用。比起应用最广泛的蓝宝石衬底，GaN/Si LED拥有更佳的导电性和导热性，还可制备垂直结构。不过Si单晶与GaN的热失配高达57%，晶格失配也有16.9%，这导致了GaN/Si的外延层生长中会有承受较大热应力导致龟裂，这种表面裂纹降低了LED的发光效率。这也是Si衬底所要面对和解决的一大难题。近些年，随着外延技术的提高和图形化衬底、缓冲层技术等新技术的应用，Si衬底上生长的GaN基LED器件的发光效率得到了较大提升。现阶段，通过提高Si衬底质量来提高Si衬底GaN基LED发光效率是研究的重要方向。肖宗湖[7]等的研究正是关注的Si衬底GaN基LED裂纹，其研究结果表明：GaN 基LED 薄膜在Si衬底的条件下生长时，其n 型GaN 层会受到一定的张应力，裂纹及裂纹增生正是对这种外加力的释放表现。裂纹的产生会使量子限制的斯塔克效应增强，禁带宽度减小，造成发光光谱红移从而降低了发光效率。为了降低Si衬底的裂纹现象，研究人员用Si的图形化衬底取得了一定的成效，目前单晶硅衬底上生长的GaN 薄膜质量已经可以达到位错密度8 ×10⁸cm^-2, (1012) 面的XRC扫描的半高宽为450角秒 [8]。Chih-Yen Chen, Zhan Hui Liu,等人[9]的实验证实：经过图形化衬底处理的Si（110）衬底上生长的GaN基LED与未经图形化衬底处理的Si（110）衬底和Si（111）衬底相比，其晶格质量和发光效率都要远高于后两者，这是源于图形化衬底带来的最小的应变压力，最大的内量子效率，最强的LED输出功率，最小的设备电阻以及随着驱动电流增加时的最小的光谱变化范围这些直接因素共同导致的。

1.3 本文的主要工作

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