对集成Ag基反射镜的垂直结构GaN基发光二极管(LED)薄膜芯片施加ESD(electro-static discharge)冲击,观察其静电失效的现象并对失效演变的过程进行研究。结果表明,LED芯片经过ESD冲击后,内部会随机出现ESD黑点。随着ESD电压逐渐增大,此ESD黑点逐渐演变成为静电孔。通过聚焦离子束刻蚀等手段,得出ESD黑点产生的原因,即静电击穿产生的瞬间高温将LED芯片中的p-GaN及Ag基反射镜熔化,从而使得Ag反射镜的反射率降低。在LED薄膜芯片静电失效的演变过程中,ESD黑点周围的GaN粗化面的六角锥结构出现形状变小、密度增大的现象,该现象与静电击穿发生的程度相关。因此,认为静电击穿过程中内部产生的瞬间高温对表面GaN材料的晶体质量产生较大影响。

采用MOCVD技术在硅衬底上生长了含有7个黄光量子阱和1个绿光量子阱的混合有源区结构的InGaN基黄绿双波长LED外延材料, 研究了电子阻挡层前p-GaN插入层厚度对黄绿双波长LED载流子分布及外量子效率 (EQE) 的影响。通过LED变温电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。结果表明, 100 K小电流时随着电流密度的增大, 三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值越来越大, 且5.5 A·cm-2的电流密度下, 随着温度从300 K逐步降低至100 K, 三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值也越来越大, 说明其载流子都在更靠近p型层的位置发生辐射复合。三组样品的p-GaN插入层厚度为0, 10, 30 nm时, EQE峰值依次为29.9%、29.2%和28.2%, 呈现依次减小的趋势, 归因于p-GaN插入层厚度越大, p型层越远离有源区, 空穴注入也越浅。电子阻挡层前p-GaN插入层可以有效减小器件EL光谱中绿光峰随着电流密度增加时峰值波长的蓝移 (33 nm), 实现了对低温发光光谱的调控。

为了对比研究新型低色温无荧光粉LED光源和低色温荧光粉LED光源的可靠性, 本文进行了85 ℃加速老化和温度步进应力实验, 测试了各光电参数在老化过程中的变化规律, 并分析了有无荧光粉低色温光源的老化衰减机理。实验结果表明, 在20 A/cm2工作电流密度、85 ℃的加速老化条件下, 两种类型的光源都表现出很好的稳定性, 但随着功率的增加, 无荧光粉光源展现出更好的光通量稳定性; 随着温度的升高, 无荧光粉光源在高达200 ℃左右仍表现出良好的可靠性, 而荧光粉光源则在175 ℃后出现了明显的光通量衰减和色温升高。电流应力或温度应力提升以后, 无荧光粉光源展现出更优异的可靠性。

采用“牺牲Ni处理”的方法研究了Ni对Ag/p-GaN界面接触性能的影响机理。利用传输线法(TLM)、紫外分光光度计、X射线光电子能谱(XPS)以及二次离子质谱仪(SIMS)等表征方式对Ag/p-GaN界面层光电性能进行了研究。结果表明, 牺牲Ni处理后p-GaN表面仍会残留少量的Ni并以Ni2O3的形式存在; p-GaN表面Ga 2p3结合能峰位朝低能方向移动了0.3 eV, 提高了Ag/p-GaN间的欧姆接触性能。我们认为,界面处的Ni会优先和p-GaN表面Ga2O3氧化物中的O结合形成Ni2O3, 进而降低了p-GaN表面费米能级, 提高了Ag/p-GaN之间的欧姆接触性能。

采用MOCVD技术在图形化硅衬底上生长了InGaN/GaN多量子阱黄光LED外延材料, 研究了不同的量子阱生长气压对黄光LED光电性能的影响。使用高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)和荧光显微镜(FL)对晶体质量进行了表征, 使用电致发光系统积分球测试对光电性能进行了表征。结果表明: 随着气压升高, In的并入量略有降低且均匀性更好, 量子阱中的点缺陷数目降低, 但是阱垒间界面质量有所下降。在实验选取的4个气压4, 6.65, 10, 13.3 kPa下, 外量子效率最大值随着量子阱生长气压的上升而显著升高, 分别为16.60%、23.07%、26.40%、27.66%, 但是13.3 kPa下生长的样品在大电流下EQE随电流droop效应有所加剧, 在20 A·cm-2的工作电流下, 样品A、B、C、D的EQE分别为16.60%、19.77%、20.03%、19.45%, 10 kPa下生长的量子阱的整体光电性能最好。

采用实验与理论模拟相结合的方法, 研究了氮化镓基绿光发光二极管(LED)中V坑对空穴电流分布的影响。首先, 实验获得了V坑面积占比不同的3种样品; 然后, 建立数值模型, 使得理论计算的外量子效率(EQE)及电压与实验测试的变化趋势相匹配, 从而确立了所用数值模型的可信性。计算结果显示: V坑改变了空穴电流的分布, 空穴电流密度在V坑处显著增加, 在平台处明显减小。进一步的分析表明: V坑面积占比在0~10%范围内, V坑空穴电流占比与V坑面积占比之间呈近线性增长(斜率为2.06), 但V坑空穴注入在整个空穴注入的过程中仍未占主导。

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了含V形坑的InGaN/GaN蓝光LED。通过改变生长温度, 生长了禁带宽度稍大的载流子限制阱和禁带宽度稍小的发光阱, 研究了两类量子阱组合对含V形坑InGaN/GaN基蓝光LED效率衰减的影响。使用高分辨率X射线衍射仪和LED电致发光测试系统对LED外延结构和LED光电性能进行了表征。结果表明: 限制阱靠近n层、发光阱靠近p层的新型量子阱结构, 在室温75 A/cm2时的外量子效率相对于其最高点仅衰减12.7% , 明显优于其他量子阱结构的16.3%、16.0%、28.4%效率衰减, 且只有这种结构在低温时(T≤150 K)未出现内量子效率随电流增大而剧烈衰减的现象。结果表明, 合理的量子阱结构设计能够显著提高电子空穴在含V形坑量子阱中的有效交叠, 促进载流子在阱间交互, 提高载流子匹配度, 抑制电子泄漏, 从而减缓效率衰减、提升器件光电性能。

用MOCVD技术在硅衬底上生长了GaN基蓝光LED外延材料，研究了有源层多量子阱中垒的生长温度对发光效率的影响，获得了不同电流密度下外量子效率(EQE)随垒温的变化关系。结果表明，在860~915 ℃范围内，发光效率随着垒温的上升而上升。当垒温超过915 ℃后，发光效率大幅下降。这一EL特性与X光双晶衍射和二次离子质谱所获得的阱垒界面陡峭程度有明显的对应关系，界面越陡峭则发光效率越高。垒温过高使界面变差的原因归结为阱垒界面的原子扩散。垒温偏低使界面变差的原因归结为垒对前一个量子阱界面的修复作用和为后一个量子阱提供台阶流界面的能力偏弱。外延生长时的最佳垒温范围为895~915 ℃。

利用金属有机化合物气相外延沉积技术在2 inch (5.08 cm) Si(111)图形衬底上生长了GaN外延薄膜,在Al组分渐变AlGaN缓冲层与GaN成核层之间引入了AlN插入层,研究了AlN插入层对GaN薄膜生长的影响。结果表明，随着AlN插入层厚度的增加,GaN外延膜(002)面与(102)面X射线衍射摇摆曲线半峰全宽明显变小,晶体质量变好,同时外延膜在放置过程中所产生的裂纹密度逐渐减小直至不产生裂纹。原因在于AlN插入层的厚度对GaN成核层的生长模式有明显影响,较厚的AlN插入层使GaN成核层倾向于岛状生长,造成后续生长的n-GaN外延膜具有更多的侧向外延成分,从而降低了GaN外延膜中的位错密度,减少了GaN外延膜中的残余张应力。同时还提出了一种利用荧光显微镜观察黄带发光形貌来表征GaN成核层形貌和生长模式的新方法。