铟镓氮-氮化镓发光二极管光电效应的仿真模拟

论文总字数：19154字

目 录

一 绪论 1

1.1发光二极管的发展和GaN基LED的发展进程 1

1.1.1发光二极管的发展以及对半导体的研究 1

1.1.2.GaN基发光二极管的研究发展 2

1.2 简单介绍InGaN和GaN的物理，化学特性 2

1.2.1 氮化镓材料（GaN）材料的物理、化学特性 2

1.2.2 Ⅲ族氮化物的自发极化 3

1.2.3 GaN材料的物理学基本参数 3

1.2.4 InGaN的物理性质简介 3

1.3. 小结 4

二 InGaN/GaN MQWs LED的结构和性质 4

2.1 InGaN/GaN MQWs LED结构、制备方法 4

2.2 InGaN/GaN LED的压电极化 5

2.3 量子限制斯塔克效应 5

2.4 droop效应 6

2.5 提高发光二极管发光效率的技术方法 7

三 LED模型仿真的工具与理论准备 7

3.1强大的多物理场耦合分析软件：COMSOL Multiphysics 7

3.2 LED仿真模拟建模方法 8

3.3 氮化镓材料的数学物理建模理论 8

四 仿真模拟结果与分析 9

4.1 模拟器件介绍 9

4.2器件在不同的电压偏置下的能级 9

4.3器件的载流子浓度线图 10

4.4电压-电流曲线 11

4.5 InGaN层中心的发射光谱 12

4.6 droop效应 12

4.6.1电流与电光转换效率 12

4.6.2材料禁带宽度对LED droop的影响 13

4.6.3对droop效应的产生原因的讨论 15

五 总结 15

参考文献： 16

致 谢 18

铟镓氮-氮化镓发光二极管光电效应的仿真模拟

张文超

，China

Abstract：With the advent of blue LEDs, LED has become a major pillar of the lighting field, but there are still some problems such as LED droop effect and other effects of the LED, so we need to try hard on research on LED. In this thesis, the quantum wells of GaN-based blue LEDs were simulated in COMSOL Multiphysics by finite element method to study the photoelectric effects of LEDs. The Energy level variation diagram, Carrier concentration diagram, volt-ampere characteristic curve, Emission Spectrum,Total Emission Rate from InGaN Layer vs Current diagram of the device can be obtained from the simulated device model. Analysing these curves one by one can effectively understand the photoelectric effect of the analog device and understand the effect of the LED droop phenomenon on the electro-optical conversion rate of the LED. In addition, through comparing the different parameters of the wavelength device that can analyze the different LED chip photoelectric properties of the band gap of difference, discuss the LED materials forbidden band width influence on LED droop.

Key words：GaN based blue LED，InGaN/GaN MQWs LED,LED Droop，model

一 绪论

1.1 发光二极管的发展和GaN基LED的发展进程

1.1.1 发光二极管发展以及对半导体的研究

在电灯被发明后的相当长的一段时间中，金属丝发光照明成为了人们生活中最重要的照明手段，随着金属丝的研究更新，钨制灯丝发热产生的黄光和后来的气体放电光源的白光共照亮了人类文明近百年。然而就算是气体放电光源也依然不能满足人们对于低能耗的需求，而低能耗，发光效率高的半导体发光二极管的出现使得发光照明有了新的选择。

同样作为将电能转化为光能的器件，发光二极管与传统的靠金属丝（如钨丝）加热而发光的模式不同。发光二极管的发光不依靠材料的发热发射光波，因此从电能到光能的转换比金属丝发热发光少了电能转换为热能的步骤，相对来说对电能的利用率更高，因此发光二极管更加节能，效率更高。

LED发光与半导体的pn结有关。半导体的pn结是P型半导体与N型半导体使用掺杂技术制作出的特殊结构。在V-p偏压下，pn结中会发生不同带电离子的相互移动，这将使电能转换成光能辐射出来。这就是pn结的发光原理。LED发光一定要有以下两个条件^[1]：一是外加的正向偏压V-p，这使得带电离子移动形成电流; 二是在实验室中进行化合物逐层薄膜外延生长而形成的半导体的特殊结构pn结。pn结是LED芯片的核心。将LED芯片封装在具有良好的透光性能的材料中，这就是LED。

发光二极管的出现比较晚，直到1968年红色LED方才完成商品化^[2]，然后LED的应用才逐渐增加。随着化合物材料（Si,As以及N等的化合物）研究不断深入，现在的LED品种已经发展增加到了数百种，不同颜色的LED灯不断出现。当中村等人完成了蓝色LED时^[3]，实现发光二极管放出白光成为可能，而白光发光二极管的出现使得LED在照明领域的作用更加凸显^[1]。由于其优秀的电学，热学以及光学特性，LED的照明作用相对来说更加的明显，LED也相应的成为了光电器件的重要门类之一。

而随着LED的研究制作水准的不断提高，LED的种类也越来越多，可以简单的对这些发光二极管进行分类。

LED从不同光色上可以分：紫外光，蓝紫光，红外光，红光，以及白光等。LED根据材料可以分为GaN基LED，SiC基LED等等^[4]。

Ⅲ-Ⅴ族化合物 ^[5]是制备LED的主要材料。这些材料多是宽禁带半导体材料。这些材料可以分为^[1]：二元系： GaN, GaP, GaAs, SiC ，ALP;三元系： InGaN，AlGaN，GaAsP, InGaP, AlGaP,AlGaAs；四元系：InGaAlP,InGaAsP等^[1]。

不同的材料和不同掺杂方式的LED也具有不同的发光特性。

发光二极管发展到现在已经经历了探索改进材料生长和杂质掺杂，研究超高亮度芯片以及四元系材料的性能提高，对蓝，紫光加深研究，开发白光发光二极管，这三个过程，LED灯使用的材料由单一的砷化物或者磷化物突破到了InGaN/GaN材料的研究和使用。这使得发光二极管有了更多元的效果，如今白光LED也开始商品化进入市场。

发光二极管如今已经进入了人们生活的各个方面，包括：电子电器，光纤通信，交通信号灯，LED显示屏，家电，照明等等都有发光二极管的使用，前景广阔。很多发达国家都对LED照明这个21世纪具有很大前景的高新技术项目加大投资，这也是我国现在正在重点支持扶植的国家半导体照明工程计划。

1.1.2 GaN基发光二极管的研究发展

随着对发光二极管的性能需求的变化，半导体研越越来越深，发光二极管的材料不断地变化。

不同发光二级管苏用的材料也不同，其中氮化物所占的比重越来越多相对于硅（Si），砷化镓（GaAs）等这些越来越受物理材料带来限制的材料。氮化物宽带隙半导体材料制作短波发光二极管（蓝光，紫光等波长较短）相对来说更有利。

GaN材料是现在很重要的LED制备材料。其实直到1938年，GaN的化学合成方法才问世^[6][7]。在GaN合成方法出现之后，对于GaN的材料生长，材料外延制备高质量GaN材料晶体就一直在研究之中。 到今天，氮化镓材料的制备技术相对成熟，氮化镓已经成为现在很受欢迎的一种氮化物宽带隙半导体材料，GaN发光二极管的电光转换率的不断提高，开创了大功率白光发光二极管的照明应用的新领域。

1971年，第一次的GaN材料掺杂Zn的半导体结构蓝色发光在美国无线电公司成功完成^[8][9]。由于氮化镓材料的掺杂困难，氮化镓材料的本征缺陷较大，这使得p-GaN材料的制作技术成为难题。一直到Mg作为掺杂剂的技术成熟氮化镓的p型掺杂才得以完成。

之后的GaN基半导体发光研究速度突飞猛进，其中“蓝光之父”Nakamura制备了GaN基高亮度蓝光^[3][10]贡献尤为突出。而氮化镓基蓝光发光二极管的技术成熟也使三原色混合白光发光二极管出现。

如今，GaN基蓝光二极管的制备技术已经比较成熟。然而GaN基LED依然存在改进的空间，学者们认为GaN LED发光效率从LED的材料到LED的封装都有更进一步的可能。从理论上来说droop效应的存在是限制LED电光转换效率的巨大障碍。可以通过研究GaN材料，研究LED的结构，对LED量子阱结构的模拟来仿真LED的光电效应，进而加深对LED droop等现象的了解，研究droop效应的成因。

1.2 简单介绍InGaN和GaN材料的物理，化学特性

1.2.1 氮化镓材料（GaN）的物理、化学特性

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