单芯片无荧光粉白光LED.docx

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1、太原理工大学毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：单芯片无荧光粉白光LED毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）。1）提高学生综合运用所学知识和技能去分析、解决实际中问题的能力。2）培养学生正确开展科学研究的思想和方法，树立严肃认真的工作作风。3）培养学生调查研究、查阅文献、资料以及编写相关文档的能力。4）培养学生提高分析、解决问题的能力。5） 了解蓝光LED外延生长工艺和制备流程、测试设备和测试方法。6） 了解单芯片白光LED的种类、基本原理和相关实验。7）通过毕业设计，为今后工作中的工程设计、科学研究提供了思路，并为 其独立分析问题，解决问题的能力打下坚实的基础。互扩散运动的少数载流

2、子聚集在p-n结的两侧，形成势垒。势垒产生的内电场将阻止互 扩散运动的继续进行。图2.5平衡状态下的p-n结能带示意图在室温下，n区导带底附近的浅施主能级被电离，向导带提供大量电子，因此在n 区中多数载流子是电子；同样，在p区中浅受主能级向价带提供大量空穴，p区的多数 载流子是空穴；图2. 6表示加正向电压时，p-n结势垒降低，破坏了扩散运动和漂移运 动的相对平衡；这种情况下，n型一侧的多数载流子电子跨过较低的势垒注入到p型一 侧的准中性区，同样p型一侧的空穴也注入到n型一侧准中性区，出现非平衡状态，注 入p区的电子和n区的空穴称为非平衡少数载流子；在p-n结附近，当注入的非平衡载 流子和该区

3、原有的多数载流子复合时，便把多余的能量以光的形式辐射出来，这就可以 观察到p-n结的发光；根据统计学规律，电子空穴对复合发光所发射光子的方向是随机 的，这样发光二极管的结构就显得十分重要了，它要求发射的光子能够有效地从器件中 发射出来，不至于被半导体材料自身所吸收，这就要求p区尽可能薄，减小吸收，或采 用异质结结构的器件。理论和实践证明，光的峰值波长入与发光区域的半导体材料禁 带宽度有关：Z=1240/Eg (nm) (2. 1)其中Eg的单位为ev (电子伏特)。假设要产生可见光，半导体材料的禁带宽度应在3. 26-1. 63ev范围之间。在此能量范围之内，能带为直接带隙的一族半导体材料只有

4、 GaAs、GaN等少数几种材料。图2.7多量子阱有源区LED能带图为了更好的限制载流子，使其高效复合。当前的LED通常采用多量子阱作为有源 区。注入LED的载流子被有效限制在多量子阱的阱区中，完成复合发光。如图2.7所 示为多量子阱，有源区LED能带结构。图2. 8为GaN基LED典型的器件结构图。其 中p型区接触金属为Ni/Au, n型区接触金属为Ti/Al。图2.8第一支高亮蓝光LED结构图第三章GaN金属有机物化学气相沉积生长3.1 GaN基材料所用衬底在GaN基材料外延生长的开展进程中，主要问题为衬底选择、减少缺陷密度和提 高P型掺杂等。衬底选择是GaN基材料外延生长中的首要问题。由

5、于没有合适的单晶 衬底，也没有其他晶格匹配和热匹配衬底，GaN材料只能生长在失配的衬底上。对GaN 材料外延衬底的选择，要考虑以下几点：对生长的气氛和高温的稳定性。(2)衬底的晶格常数、热胀系数和晶体结构应有利于外延材料晶体质量的提高。表3.1 给出了与常用衬底的晶格常数，热胀系数以及它们之间的失配。(3)大尺寸，高质量，价格适当。表3.1 GaN与常用衬底的晶格常数，热胀系数以及它们之间的失配材料a (A)c (A)热导 (W/cmK)热胀系数 (lOK-1)晶格失配 (%)热失配 (%)GaN3.1895.1851.35.59-A1N3.114.982.854.22.425Si(lll)5

6、.4301-1.52.59-16.9546H-SiC3.0815.123.0-3.84.23.525Sapphire4.75812.9910.57.516-34研究者们对多种外延衬底材料进行了研究。目前，蓝宝石和SiC得到了广泛应用。 其中蓝宝石由于具有大尺寸，高质量，透明，高温下稳定的单晶易得到，价格低廉等优 点,应用最为广泛；通常使用的蓝宝石衬底有c面(0001), a面(11-20)和r面(10-12)。 绝大多数的薄膜都是在在蓝宝石的c面上外延生长的，对c面衬底上GaN外延的研究 也最多；蓝宝石上外延c面的晶格失配理论计算值大于30%,但在实际外延时，GaN解 理面(1T00)与蓝宝石

7、的(1-100)解理面并不在同一平面内，而是沿c轴旋转30度旋转 后与蓝宝石之间的实际晶格失配14%；这样大的晶格失配是外延生长低位错密度的高质 量GaN基材料中难以克服的障碍咒3. 2反响源材料MOCVD外延材料的质量在很大程度上决定于源材料，源材料的进步有力地促进了 技术的开展。GaN半导体材料以V族氢化物NH：,其作为源材料，其优点是在NH：，热分 解时可以在外延薄膜的外表生成H原子，有利于与含碳的化学基结合后排出反响室， 减小外延材料的碳杂质。缺点是NH的化学性质很稳定，只有在较高的温度下才能有 效分解。GaN金属有机源的选择要考虑以下几点(1)室温下，有机源为液态，并且具有合适的蒸汽

8、压。(2)常温下化学性质稳定，不容易分解变质。（3）生长过程中在合适的温度区间发生热解反响，预反响少。（4）纯度高，化学基中的容易排出，毒性低。TMGa （三甲基钱）由于其蒸汽压高，化学性质稳定，是最常用的金属有机源。在 实际的外延生长中，必须根据具体的反响条件来选择合适的源材料。3. 3 GaN金属有机物化学气相沉积生长对GaN生长来说，采用三甲基钱（Ga（CH3）3）和氮气（NH3）分别作为Ga源和N 源，一般认为可能涉及的过程有：Ga(CH3 )3 (g)-Ga(CH3 )2 (g)+CH3(g)(3.1)Ga(CH3 )2 (g)-Ga(CH3 )(g)+CH3(g)(3.2)Ga(C

9、H3 )(g)-Ga(g)+CH3 (g)(3.3)NH3(g)-NH(3.x)(g)+xH(g)(3.4)因此一种可能的反响是：Ga(CH3 )(g)+NH(g)-GaN (s)+CH4 (g)(3.5)MOCVD中生长机制可以分为两个阶段：(1)反响物气体混合物输运到外延生长区（2）反响物分子通过扩散到达生长界面。在生长界面处发生化学反响，生成晶体 分子和气体副产物。（3）生成的晶体分子沿晶面扩散，结合进晶体点阵。副产物从外表脱付，扩散到 界面以外被排出系统外MOCVD系统示意图如下列图2.12所示：tfaf erSuscept orVbcuiddExhaustPujopScrubber图

10、3.1MOCVD系统示意图3. 4 GaN基发光材料及器件测试设备及方法3. 4.1电致荧光谱与光致荧光谱EL （电子发光光谱）和PL （光致发光光谱）是在材料的发光特性检测中最常用的 方法，可以利用EL和PL来分析材料的光学特性。EL是利用注入脉冲电流，使材料内 部注入载流子，在有源区复合发光，由单色仪接收，进行分析得出材料的光学参数。PL 同样是激发出非平衡载流子，然后复合发光。通过光致发光可以了解样品的能带结构和 发光机制，同时可以检测材料的质量状况。图3.2为电致发光与光致发光的测试设备。(a)（b）图3.2 （a）电致发光测试设备（b）光致发光测试设备3. 4. 2 X射线衍射仪X射

11、线衍射仪可以用于分析薄膜的晶体质量、应变以或弛豫状态。图3. 3所示为X射线衍射仪。图3. 3 X射线衍射仪3. 4. 3形貌与结构显微分析常使用透射电子显微镜(Transmission electron microscope,缩写TEM)来分析材 料的结构界面、缺陷。其原理是是将经加速和聚集的电子束投射到样品上，电子与样品 中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。散射角的大小与样品的密度、厚度相 关，因此可以形成明暗不同的影像，影像将被放大、聚焦成像显示出来。第四章白光LED实现方法4. 1白光LED研究现状LED的开展自90年代以来在全球范围内突飞猛进。各个国家纷纷把LED作为“照 亮

12、未来的技术”，陆续启动相应计划。而从2009年起，欧盟禁用白炽灯，随后其他国家 地区纷纷禁用白炽灯，LED成为照明新宠，备受世界各国研究者瞩目。而随着亮度的 增加和价格的降低，白光LED在照明领域的市场潜力越来越大，白光LED的使用，对 国家或地区的能源和环保策略具有积极的影响。川。我国政府早就启动了 “国家半导体照明工程”计划，并深入探索半导体照明技术。我 国的白光LED产业引进高新技术，积极攻破关键难点，如今完整的LED产业已经建立， 白光LED已经覆盖各个领域，在各个领域具有良好的的开展态势。同时白光LED存在 着普遍的问题，主要归结为以下几个方面：（1）白光质量问题有待解决。目前白光的

13、发光基本原理大多为多种颜色光混合而成。 白光LED的参数如色坐标、显色指数等是白光质量的评价标准。对于色温、显 色指数等的把握关系到白光是否能复合使用要求。作为照明光源，白光LED有 待提高设计要求，提高白光LED的发光质量。（2）光通量和发光效率问题。白光LED的发光效率随着技术的进步得到提高，但是 相对于荧光灯，发光效率略低；而在光通量方面，相对于普遍的照明光源，白光 LED的光通量显得缺乏。这些问题大大限制了白光LED的使用范围。（3）白光LED寿命问题。寿命方面，理论上白光LED寿命远远高于节能灯，但在实 际使用过程中白光LED的老化问题仍待解决。对于LED老化机理的研究也迫在 眉睫。

14、（4）荧光粉改善。白光所用荧光粉的稳定问题仍待解决。必须改善荧光粉，开发白光 LED新产品，才能提高白光LED发光效率。白光LED作为半导体照明的重大成果，推动了我国照明行业的开展，针对于白光 LED突显的问题，需要积极探寻解决的方法，尽快使我国的LED技术到达世界LED 产业的领先水平。4. 2有荧光粉白光LED4. 2.1单芯片有荧光粉白光LED1997年，日亚以搭配YAG:Ce（Y3Al5。Ce3+）的GaN芯片而获得白光，并申请专 利。此后围绕着YAG:Ce荧光粉在白光LED上的应用，同时对其组成、结构、性能和 制备开展了大量的研究工作。荧光粉转换芯片是由荧光粉受激发发出长波长光与芯片

15、发出的光混合而产生白光。 如图4.1为荧光转换类型半胱LED结构示意图。这种方法产生的白光发光效率很好； 但是由于其发光中心在红光局部短缺，白光LED的显色性较差。4000K以下的低色温 白光LED很难获得。lWhite Light Emitting Diod。*Anatomy图4.1荧光转换类型白光LED结构示意图单芯片荧光粉转换实现白光的方法无疑增加了制作工序，提高了本钱，同时对于蓝 光激发荧光粉的白光LED,荧光粉的有效厚度不同，导致了在不同视角下光色由于吸 收蓝光的量的不同而不同口，同时由于色温较高、显色指数Ra的值偏低，其作为照明 光源的使用受到限制。紫外激发荧光粉的白光LED,由于

16、紫外线极有可能泄露出来， 在照明中极为有害。对于涂覆荧光粉来利用荧光粉转换的白光LED存在诸多问题，研 究人员致力于其他实现白光LED的方法，来改善白光LED,更利于白光LED的应用。4. 2. 2多片有荧光粉白光LED为了能够既到达控制简单，又实现寿命长、效率高，研究人员还尝试采用多芯片和 荧光粉的组合来实现白光LEDo通过将蓝光LED元件和红光LED元件采用树脂封装件进行封装，YAG荧光粉被 混合分散在该树脂封装件中，并在红光LED元件上方的树脂封装件外表形成用于遮光 的遮光涂层，从而防止红光被识别为点状的状态，获得接近自然光的白光LED.或通过 蓝绿LED和紫色LED共同构造于箱内，从而

17、获得白光LED。这类产生白光的方法，制作步奏复杂，虽然便于控制，但是本钱相应增加，同时无 法防止荧光粉的问题。4. 3无荧光粉白光LED由于荧光粉的老化会导致白光LED出现色温漂移以及能量损耗等问题，众多研究 者尝试采用无荧光粉的方式来构造白光LEDo4. 3.1单片无荧光粉白光LED(1)施主-受主共掺白光LED在蓝光InGaN/GaN多量子阱中同时掺杂作为n型掺杂剂的Si和作为p型掺杂剂的 Zn；当载流子注入到量子阱中时，施主能级与受主能级之间的载流子复合之后会发出 黄颜色的光；这局部施主一受主对发出的黄光与多量子阱中发出的蓝光复合之后混合而 成白光；图示为该结构白光的结构示意图与不同注入

18、电流下的电致荧光谱10这种白光LED不需要荧光粉，也不需要额外的驱动电路或者加工工艺等能增加工 艺本钱的步骤，制作方法与普通毫无二致。但是，问题在于，掺杂于多量子阱中的施主 一受主对的浓度是一定的，在10mA时候出现了饱和现象，而量子阱中的蓝光却没有饱 和，光强继续增大，导致了该白光LED的光学品质急剧下降。此方案虽然有较为优秀 的色坐标，以及适合于照明的色温，但是这些指标都是在低于二极管的正常工作电流状 态下测量所得，所以如果性能不提高，那么不能应用于照明。另外，该白光的光效与荧光 粉转换型白光相比太低，也限制了其应用前景。Ni/Au semi-transparent layerP-cicx

19、trodeTi/AuGaN:Mp、Si and Zn co-dopcdIntGai.N/GaN MQWn-electrodcTi/AVTi/Au/GnN:SiAI2O3nudeation layer !图4. 2 DAP白光LED结构示意图与不同注入电流下的电子荧光谱YHow LightBkM UghlActivo Region 2Active Rngn 1p-type ConladSecondary Source (AIGolnP)Sapphre SubMr KoPrimary Source (GlnMZGN LED)n-type ContactWttveKnath (nm)(2)光子循环白

20、光LEDSchematic structure ofthe phocon-ieuycling semiconductor LED (PRS-IJD)图4. 3光子循环白光LED结构示意图及光谱图这种方法利用蓝宝石衬底上外延生长蓝光LED结构，然后通过键合技术将一个 AlGalnP外延片与抛光的蓝宝石衬底结合在一起，然后采取倒装结构封装。从蓝光LED 的有源区出射的蓝光，经过蓝宝石衬底之后通过AlGalnP外延片，其吸收了蓝光从而发 射出长波长的光，与从中透过的蓝光结合到一起混合而成白光网。图示为这种白光结构 示意图与电致荧光谱。11此结构的白光比荧光粉转换型白光LED具有更好的色温以及坐标，并

21、且光效很高, 到达3001m/W以上。但是显色指数Ra较低。这种结构的白光LED由于InP衬底较为 脆弱，在键合过程中很容易损坏，从而降低了白光的成品率，制作本钱增加。(3) Dual-wavelength 白光 LED在一块蓝宝石衬底上外延两个InGaN/GaN有源区，这两个有源区分别发射蓝光跟 长波长的光，混合成为白光。图4. 4所示为这种LED的结构示意图。rvQeN (2.7/un). up (500A) p-G(IOOCA) pUGeNOOOA) InGaNNMQW n-lnGaN (400) )一 * * * - - sapphire 以，,以黑包;Bunrwl juncton -

22、u p-Q(IOCXM)一 p-AJGaN POQA) 一 InGaNTGaNMOW MnOaN (400) ()TVAVTAu图4.4 Dual-wavelength白光LED结构示意图这种白光LED结构极其复杂，外延生长时间比普通LED要长很多。在制作工艺上， 需要制作更多的电极，并且对于两个LED需要分别用电路控制其发光，其制作本钱相 当高。从其电致荧光谱图来看，长波长的光峰值位置在520nm左右，为绿光，因此这 种结构的显色指数以及色温不尽如人意。(4)横向分布多量子阱结构白光LED横向分布的多量子阱结构白光LED有源区采用横向并行间隔排列的多量子阱构成。 在蓝宝石衬底上利用MOCVD

23、的方法外延生长2微米厚的n型GaNo然后在780c温 度下生长5个周期的InGaN/GaN蓝光多量子阱。利用光刻、刻蚀等工艺以5微米为图 形宽度，以10微米为周期宽度刻蚀蓝光MQWs,直到露出n型GaN缓冲层。接下来 在刻蚀掉了的区域以750的生长温度选择性生长5周期的绿光MQWs,确保蓝光 MQWs和绿光MQWs同样厚度。最后在有源区上外延生长p型GaN层。生长的此横向 分布双波长有源区，完成在有源区内的蓝光与绿光的混合，最终发出白光。其结构如下图。50mA注入电流下，的谱有两个发光峰，分别位于447nm和514nm, 如下图。由于蓝光区与绿光区在电特性上平行排列，使得在大注入电流下，蓝光与

24、绿 光积分强度比变化不大。这也是这种横向分布结构的优势所在。然而这种结构，附加工 艺复杂，提高了制造本钱，不利于大规模生产。12毕业设计(论文)主要内容:(1)查阅相关文献，综述白光LED的实现方法。(2)调研白光LED相关实验，得出相应结论。(3)按要求完成论文。学生应交出的设计文件(论文):(1)毕业设计论文 1册 (2)毕业设计论文全部电子文档(a)横向分布MQWs结构4 004S050。5S。 eoo 65。700WftvelenQth (nm)(b) ELittffl图4. 5横向分布多量子阱结构白光LED(5)级联单芯片无荧光粉白光LED0804LithtliKht eitissi

25、on r% .一-Vhite LEDAlGalnP LLD-InGaN FD024691312Voltage (V)图4. 7未键合的AlGalnP和InGaN 以及CSPF白光LED的I-V曲线， 在20mA时，电压分别2.2V, 4V, 10. 6V,结电压约为3-4V.该白光LED结构虽然在隧道结上己经尽可能的通过重掺杂降低结电压，然而仍然 出现键合后比键合前红光芯片外量子效率升高，而蓝绿光芯片外量子效率降低的现象。 因此，此种结构虽然能产生白光，但在光吸收损耗上还是比拟明显的，需对结构和隧穿 结进行进一步的优化。4. 3.2多片无荧光粉白光LED多片无荧光粉混合是目前获得白光LED的重

26、要途径之一，其主要是利用三基色原 理，将红、绿、蓝三基色LED芯片封装在一起，且增加集成电路芯片，通过控制供给 各芯片的恒定电流以及通过各芯片的电流大小来获得白光。该方法具有控制简单、发 光效率高、显色性好以及可控色温等优点，但是。由于芯片劣化容易导致色温以及白光 发射不稳定。研究者们目前致力于采用其它构造来克服多片无荧光粉的白光LED的缺 点。以下为两种多芯片白光LED：(1)在散热基座上放置红、绿、蓝三色发光芯片，通过三芯片的不同尺寸到达实际需 要的白光LED色温。(2)蓝光LED芯片和黄绿光LED芯片双波长混合产生白光，不需要荧光粉，电路驱 动控制简便，在一定范围内可自由调整。由于芯片组

27、合难以混光均匀，多片无荧光粉白光LED使用范围受到限制。通过对白光LED的调研，目前单芯片白光LED由于较为简单的制作步骤，较小的 制作本钱，解决了荧光粉老化的问题而将成为研究的热点。其中级联式单芯片白光LED 的CIE色坐标(0.3, 0.3)非常接近理想白光(1/3, 1/3),同时其发光光效高，寿命 长，因此是目前实现白光LED较好的方式。进一步提高每个LED的光学性能，降低结 电压，将大幅提高级联式单芯片白光LED的发光效率。14第五草GaN基单芯片白光LED研究5. 1基于InGaN的单芯片白光LED在蓝宝石衬底上通过低压有机金属气相沉积外延方法制得单芯片白光LEDo并通 多电致发光

28、光谱、透射电子显微镜等测量方法来研究白光的发光机制口，样品是通过低压有机金属气相沉积（LP-MOVPE）的方法生长在蓝宝石衬底（0001） 方向上。使用的锢、钱、氮源分别是三甲基锢、三甲基线和高纯度氨。P-型和n-型掺 杂的源分别是环戊二烯基镁和硅烷。首先在500c下生长30nm厚的GaN成核层，然后 在1040C下生长一层掺杂浓度为3义10期Clif?厚度为311m的掺杂Si的GaN层，接着在 8450c下生长一层应变调制层。调制层和量子阱中设定的锢组分分别为0. 05和0. 17。 LED芯片尺寸大小为0.3X0. 3 mm2o Ti Al和Ni Au合金分别被用于n型和P型欧姆 接触。图

29、5.1给出了 LED的I-V特性。LED的导通电压约为2.7V,反向电压为T5V 时，漏电流为0.18mA。EL （电致发光）用于测量LED的光学特性。图5.1显示了在1、5、20、60mA的 注入电流下的EL光谱图。在很低的注入电流下，570nm左右的黄色发射峰占主导地 位，并随着注入电流的增加强度迅速增大。当注入电流在20-60mA的范围时，蓝光和 黄光的比值几乎为常数，这对于固态照明十分重要，因为它解决了颜色的问题。并且随 着注入电流的增加，光谱图和荧光转换白光LED的光谱相近。其中，观察到随着注入 电流的增加，黄光的峰值在从575nm蓝移到555nm,然而注入电流从10mA增加到60m

30、A 时，蓝光的峰值几乎保持不变。黄光峰值波长的蓝移效应主要归因于在富锢区域局部态 的能带填充效应和对压电极化场的屏蔽效应。 5 0 5 011400500600700800Wavekngthnm）图5. 1 .不同注入电流下的EL光谱图（a） 1mA （b） 5mA （c） 20mA （d） 60mAo在低注入电流下，开始只有黄 光发光，峰值在570nm左右，随着注入电流的增加，在 445nm左右蓝光突然出现，黄光发生蓝移。右上角图示 为LED的I-V特性15图5.2表示的是LED在不同的注入电流下的发光照片。很明显，在很低的驱动电 流下从LED芯片上发出黄光，当注入电流从5增加到60mA,白

31、光开始出现。注入电 流为60mA时白光LED的输出光强为24.4mcd。图5. 2不同注入电流下LED的发光照片(a) 1mA (b) 5mA (c) 20mA (d) 60mA。为了研究白光的来源，可以通过TEM图像来理解InGaN/GaN量子阱中的详细情 况。GaN势垒和InGaN阱界面清晰，如图5. 3.可以观察到很多直径3-4nm的黑点，面 密度大约为1012cm-2。关键的是，TEM成像在足够短的时间完成，有效防止了照射损 害效应或照射诱导效应。因此这些黑点可能是富锢量子点(QDs),它们的形成可以用 相别离来解释。相别离和成分的变化是由于InGaN层在GaN上生长的双轴应变和InN

32、 和GaN之间的混溶隙所导致的。基于能量守恒模型，锢组分为17%的InGaN/GaN双分 子层结构中的临界层厚度约为50nm。在我们的研究中，InGaN阱的厚度大约为3nm, InGaN层生长在GaN层之上并受到压应变。因此，发生相的别离。图5.3 LED的InGaN层横断面TEM图片当然在InGaN层的相别离在一些条件下可能被加强，比方在粗糙的外表或者在生 长InGaN层的过程中使用反外表活性剂。为了弄清我们低锢组分InGaN应变调制层在 增强相别离的作用，于是我们采用X射线倒易空间图对InGaN应变调制层进行了应力 分析。白光LED的非对称X射线RSM (105)扫描图如图5. 4所示。这

33、证明了 InGaN16应变调制层处于局部弛豫状态，充当了应力调节器，有利于形成高锢组分的InGaN量 子点。因此，InGaN量子阱中的相别离得到加强，当插入220nm的InGaN插入层时, 会产生一定的应变松弛。在这种情况下，InGaN的亚稳相别离得到有效地加强，并形成 了低面密度大尺寸的富锢量子点。20-1(105)wAQb(I0j/A) (100)图5.4 X射线RSM (105)扫描图结合EL和TEM的图像，我们猜测，在InGaN量子阱中发出的黄光来自富锢量子 点，蓝光来自低锢区域。在很低的注入电流下，载流子首先被这些富锢量子点捕获，然 后再复合发光。因为富锢量子点的低带隙结构，黄光发射

34、在EL曲线中占主导地位。同 时，正向偏压低于来自InGaN量子阱的蓝光阈值电压，因此蓝光在光谱上不能被观察 到。由于富锢量子点的面密度很低，会有很多过剩载流子被低钢区域捕获，当注入电流 足够填补富锢量子点时，过剩载流子会被低锢组分区域捕获而在InGaN量子阱复合发 射蓝光。当注入电流从5增加到60mA的时候，因为低锢组分的量子阱所占比例相对较 大，落在低锢区域的载流子急剧增加。因此，蓝光的强度随着注入电流的增加而增强。 从InGaN有源层发射出的蓝光和黄光组合从而发出白光。如图5. 2所示，随着注入电 流的增大，LED发出的光从黄色急剧地变为白光。总之,本文展开了基于InGaN/GaN多量子阱

35、和InGaN应变调制层的单片白光LED 的研究。根据电致发光光谱，白光被证实是混合的蓝光和黄光。黄光来自低密度大粒径 的富锢量子点，而蓝光来自InGaN量子阱的低锢区域InGaN应变调制层的插入会导致 InGaN量子阱中的相别离，并已通过TEM图像证明。更重要的是，当注入电流在20 到60mA时，蓝光和黄光的强度比例几乎保持不变，这对固态照明极为重要。5. 2预应变对InGaN/GaN量子阱结构发光性能的影响本文展示了在绿光n型层和五个多量子阱之间插入紫光量子阱后，产生的光谱红移 现象，在电致发光光谱上观察到了明显的橙光河。为了比照，我们采用MOCVD的方 法生长了两个InGaN/GaN量子阱

36、样品。对于样品A,首先在1070C下生长211m的n 型GaN层，然后在680下生长五个周期的InGaN/GaN多量子阱，其中InGaN阱层17厚度为3nm, GaN垒层为16nm。在680的温度下生长2nm的GaN覆盖层后，生长 中断。中断期间，温度迅速增加到800C,并通入500SCCM （在标准条件下立方厘米 每分钟）的H2o生长一层14nm的GaN层组成16nm的势垒层。快速升温以及电通入 期间，在InGaN量子阱和高温GaN势垒层之间的GaN覆盖层是为保护InGaN量子阱 中的锢原子不会发生解吸附过程。五个量子阱中，锢组分的平均值约为16虬 生长完五 个量子阱之后，在930下生长一层

37、20nm的p-AL.2Ga（）,8N层和一层120nm的P-GaN 层。样品B的LED结构与样品A的结构除了 n型GaN和五个高锢量子阱之间插入一 个低锢组分InGaN/GaN量子阱（在745c下生长）之外，基本一致。插入的量子阱上 下紧接的势垒层都没有生长中断，且生长温度相同。Onega-2Theta (arcsec)Onega-2Theta (arcsec)(sd。)图5. 5.样品A的XRD图像Omega-2Theta (arcsec)(sds 3 - sus图5. 6.样品A的XRD图像用Bede D1系统对样品（0002）方向进行XRD （X射线衍射）扫描分析，图5. 5 显示样品A

38、的XRD图像，陡峭峰即表示GaN的衍射峰。第二个和第三个衍射峰的强 度较大，说明了样品A的量子阱的质量较高。而图5. 6的显示了样品B的XRD扫描图， 尽管5个量子阱的生长条件与A相同，但第二个极大值的位置与样品A有较大差异， 且样品B的量子阱周期性较差。这说明尽管生长条件相同，平均锢组分和厚度也一样， 但5个绿光量子阱是不均匀的。184-OO o 4 oSample B 、Sample A450500550600Wavelength (nm)图5. 7.两种样品在室温下的PL光谱图用325nm的氮镉激光(输出功率约为30mW)作为激发源测量两个样品的光致发 光(PL)光谱。PL光谱用1M具有

39、0.05nm分辨率的单色仪来检测。图5.7为室温下 两个样品的PL光谱。在样品A的图像上，可以清楚观察到只存在一个峰值波长在527nm 附近的发光峰。在样品B的图像上，主要的峰值波长在415nm左右，来源于底部插入 的紫光量子阱。长波长范围有一个延长的尾部是其他五个量子阱的发光。这个拖尾覆盖 到了 625nm,极大值在564nm附近。和其他的五个量子阱相比，在415nm的峰值说明 紫光量子阱具有较高的质量。而在PL光谱上的拖尾有两个意义：一、五个发绿光量子 阱的禁带宽度确实不一致。二、五个量子阱的发光光谱有局部红移。0 8 6 4 2KO.UO.O.(ne),susu-40mA30mA20mA

40、10mA0.0450500550600650Wavelength (nm)图5. 8.不同注入电流下样品A的EL光谱图我们将两个外延结构样本制成J标准的LED进行了 EL测量。采用Ni (15nm) /Au(150nm)作为 p 型欧姆接触。采用 Ti (15nm) /Al(75nm)/Ti(15nm) Au(150nm)作 为n型欧姆接触。常温下给两个探针通入连续电流，并用单色仪测试EL光谱。图5.8 显示的是在四个不同注入电流下样品A的EL光谱曲线。EL光谱的峰值波长从10mA 的541nm移动到40mA的535nm。一般来说，因为正向电压的作用，EL波长比PL的 波长要长。随着注入电流的

41、增加，峰值波长的蓝移可归因为量子限制斯塔克效应。室温 下样品B在四个注入电流的下的EL光谱如图5. 9所示，有趣的是PL峰值波长在415nm 的紫光量子阱的发光峰并没有在EL光谱中观测到。而从图像仅观察到了在500nm和 600nm左右的发光峰。长(短)波长峰值从10mA的595 (507) nm移动到40mA的587 (503) nmo两个峰值的光谱特征说明其发光来源于五个绿光量子阱。图5. 9中长波长 的峰值波长比图5. 8中的主峰值波长长约53nmo说明局部量子阱的生长受到了底部紫 光量子阱的影响。在图5.9中500nm左右的EL峰值也证实了 5个量子阱的结构并不一 致。在样品B的EL光

42、谱上，五个高锢量子阱的主导地位(靠近P型层)归因于空穴具 有较小的迁移率。在InGaN/GaN多量子阱LED中，当量子阱的数目较多时，底部量子19阱对EL的影响较小。同理，我们也可以推测在图5. 9中，长波长的峰值比短波长的峰 值低，是因为这些量子阱更靠近紫光量子阱。图5. 9.不同注入电流下样品B的EL光谱图为了说明样品B中五个量子阱的不同，我们在不同的电子加速电压下对样品B做 了阴极射线发光（CL）分析。有趣的是，具有不同动能的电子可以测试出不同深度的发 光光谱。图5. 10表示分别在4, 5, 6和8kV的电子加速电压下，样品B的CL光谱。 在所测得的曲线中，400到440nm的发光峰与

43、紫光量子阱相对应。随着电压增加，穿 透深度加大,峰值变强。当加速电压从4kv增加到8kv ,峰值波长从526nm变化到563rlm。 这说明了在五个量子阱中，较深的量子阱发射波长更长的光。cm。3 一 SUQ)-u_cm。3 一 SUQ)-u_图5. 10.不同注入电子加速电压下样品B的CL光谱图基于我们的推测,4kV加速电压的电子可以有效穿透厚度约为120nm氮化物样品。 8kV的电子可以到达240nm的深度。当电子加速电压为4kV和5kV时Z电子可以基本 上到达靠近p型层的两个量子阱，CL光谱显示出发光峰值在526nm附近。然后，在6kV 的CL图像上，长波长的发光峰主要源自中部的两个量子

44、阱（CL发光波长在545nm左 右）。在加速电压为8kV测得的CL曲线上，其发光主要受最底层的长波长量子阱的影 响（CL发光在563nm左右）。鉴于以上研究结果，我们可以推断出在样品B顶层的两个量子阱受到到底层插入 的紫光量子阱的影响很弱。然而靠近紫光量子阱的量子阱受到了强烈的影响。可以推测, 紫光量子阱的生长对刚好在其上面的势垒层造成了一个重要的拉伸应变，紧挨着的量子 阱中的锢的并入效率可能被加强，从而发射出长波长的光。这个现象和锢组分拉伸效应 很像，适当的应力条件可以加强锢的并入。样品B中，底层锢组分相对较低的（紫光）20InGaN/GaN插入层保证了较高的量子阱质量，并可产生有效的预应变

45、效应。当我们生 长更多的长波长量子阱时，预应变的影响减弱，因为高锢量子阱的形貌很差，并包含富 锢团簇。这些团簇是通过亚稳态分解释放异质结中的应力形成的。对于预应变在绿光量 子阱之间的影响较弱的解释，也同样适用于样品A。在样品A中，高锢组分量子阱有 利于形成富锢团簇，以释放异质结的应力，从而大幅减小预应变效应。总地来说，我们通过在LED底部插入一个紫光量子阱实现了 LED多量子阱的发光 从绿光到橙光的红移。这种现象源自于靠近紫光量子阱势垒层的预应变效应。当底部量 子阱的形貌较好以及异质结应变较强时，这种预应变影响将会更加有效。5. 3基于无荧光粉富钢InGaN纳米结构的冷白光LED用双堆叠的In

46、GaN/GaN多量子阱已经制成了无荧光粉冷白光LED,较下面的一组 多量子阱发黄光，较上面的一组多量子阱发蓝光阴。较下面的多量子阱包含富锢InGaN 纳米结构，高度为LOnm。我们首先生长一个InGaN层作为浸润层，然后用三甲基锢 处理来生长另一层InGaN层的纳米结构，使其具有一个很广的黄色发光，结合随后在 上面生长的蓝光InGaN多量子阱的发出的蓝光，就实现了冷白光的发光。三甲基锢处 理增强InGaN量子阱中锢并入形成富锢结构，使其作为较下面的一组量子阱的载流子 有效辐射复合中心。InGaN自组装量子点利用锢原子作为反外表活性剂来加强锢并入形 成量子点来代替黄色荧光粉发黄光，再结合一组蓝光多量子阱使我们能获得白光。采用 这种方法来产生白光。为了研究InGaN纳米结构对多量子阱PL发光红移的作用，我们采用了不同的三甲 基锢流速和持续时间作为比照条件。多量子阱样品用MOCVD的方法生长。首先在525 温度下