关键词：
高In组分
电子阻挡层
应力
斜切衬底
高温退火
摘要：
红光InGaN基发光二极管（Light-emitting Diode,LED）是照明和显示中不可或缺的一种光源,但是目前GaN基红光LED难以制备且发光效率很低,严重制约了其在白光照明以及全彩显示方面的应用。其中,低质量的InGaN材料、量子限制斯坦克效应以及效率衰减效应均是制约高效率的长波长LED实现的关键因素。针对以上问题,本文首先设计了InGaN基红光LED器件结构来改善大电流下的效率衰减,之后优化了材料外延过程中的工艺参数,基于优化后的器件外延工艺,本文分别探究了在不同的蓝宝石衬底上外延的高In组分的InGaN基多量子阱（Multiple Quantum Wells,MQWs）结构的发光特性,以实现长波长的InGaN基MQWs结构的制备。
研究发现在最后一层量子垒（Last Quantum Barrier,LQB）与电子阻挡层（Electron Blocking Layer,EBL）之间平带的实现有利于提高EBL阻挡电子泄漏的势垒,因此本文设计了在LQB/EBL之间实现平带的GaN基红光LED结构。结果表明,对于具有缓变组分EBL结构的器件,在140 mA的电流下光输出功率达到了116.2 m W,量子效率衰减低至18.2%,相较于传统结构的样品光输出功率提升了近89%。
接下来,为了实现高In组分的InGaN基MQWs结构的制备,本文优化了金属有机物化学气相淀积（Metallic Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD）外延工艺中的温度以及多量子阱周期数。研究表明,当量子阱生长温度降低为703℃,量子阱周期数控制在8个周期时,样品的峰值发光波长有了明显的红移,由此确定了可以实现长波长InGaN基MQWs结构制备的MOCVD生长方案。
考虑到溅射AlN厚度的改变对材料应力的影响,本文探究了不同溅射AlN厚度的蓝宝石衬底上外延的InGaN基MQWs结构的发光特性。结果表明,随着溅射AlN厚度的增加,样品峰值发光波长呈现一种先红移后蓝移的趋势,当溅射AlN厚度为50 nm时,样品在20 mA电流下峰值发光波长达到了639 nm,发光光谱半宽为176.9nm,成功实现了InGaN基红光MQWs结构的制备。此外,由于对衬底进行退火处理后有利于晶体质量的改善,本文提出了在退火处理后的衬底上外延InGaN基MQWs结构的制备方案。研究结果表明,20 mA电流下,在溅射AlN厚度为50 nm且经过退火重构的衬底上外延的样品发光波长达到了641 nm,In原子的比例为40%,发光光谱半宽值为90.6 nm,成功实现了红光InGaN基MQWs结构的制备。
由于斜切衬底可以降低位错密度,本文提出了在斜切衬底上外延InGaN基MQWs结构的制备方案,并系统的探究了不同斜切角度对于长波长的InGaN基MQWs结构的影响。首先,在c/m 0.2°的衬底上外延的InGaN基MQWs结构由于所受的压应力转换成了张应力,在20 mA电流下其峰值发光波长达到了622 nm,In组分提升至38%,发光光谱半宽仅为80.9 nm,实现了具有较长波长的InGaN基MQWs结构的制备。对于大角度斜切衬底而言,由于衬底上存在位错集中湮灭的三个区域,在斜切角度为c/m 2°的衬底上外延的样品位错密度低至7.04×10～8cm-2,相比于平片衬底上的样品下降了将近一个数量级。此外还发现在斜切角度为c/m 2°的衬底上外延的InGaN基MQWs结构应力状态由压应力转变成为了张应力,因此在20mA电流下,其峰值发光波长达到了611 nm,In组分为37%,EL发光曲线的半宽值为69.8 nm,实现了低位错密度的较长波长的InGaN基多量子阱结构的制备。
