可见光发光二极管(LED)范围内，因“黄光鸿沟”这一世界难题的存在，照明用白光LED主要通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉来实现。然而，由于荧光粉的光光转换效率在自身发热所产生的高温环境中易出现衰退的现象，导致荧光型白光LED在使用过程中容易出现光衰、色温飘移等问题。本团队在高光效InGaN黄光LED取得突破的基础上，利用高光效的红、黄光LED合成了一种新型的低色温LED光源器件，其具有无荧光粉、无蓝光的技术特点，本文称之为“硅基金黄光LED”。当LED芯片工作电流密度为20 A/cm2时，硅基金黄光LED器件的色温为2 170 K，光效为156 lm/W，显色指数Ra为77，当LED芯片工作电流密度为1 A/cm2时，光效可达217 lm/W。本文报道了这一新型LED器件的光效和色温随电流和环境温度的变化趋势，同时对该器件的空间光谱分布进行了优化研究。此外，开展了该器件的高温、高温高湿、冷热冲击等可靠性型式试验，验证了硅基金黄光LED器件具有高可靠性的特点。最后，本文介绍了硅基金黄光LED器件在道路照明、隧道照明等领域的示范应用，以及在母婴灯等家居照明领域的推广应用。

利用MOCVD技术在图形化Si(111)衬底上生长了InGaN/GaN绿光LED外延材料。在GaN量子垒的生长过程中, 保持NH3流量不变, 通过调节三乙基镓(TEGa)源的流量来改变垒生长速率, 研究了量子垒生长速率对LED性能的影响。使用二次离子质谱仪(SIMS)和荧光显微镜(FLM)分别对量子阱的阱垒界面及晶体质量进行了表征, 使用电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。实验结果表明, 垒慢速生长, 在整个测试电流密度范围内, 外量子效率(EQE)明显提升。我们认为, 小电流密度下, EQE的提升归结为量子阱晶体质量的改善; 而大电流密度下, EQE的提升则归结为阱垒界面陡峭程度的提升。

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。

为了探究具有双层电子阻挡层设计的GaN基黄光LED中首层电子阻挡层（EBL-1）Al组分对内量子效率的影响以及其中载流子注入的主要物理机制, 首先使用硅衬底GaN基黄光LED外延与芯片工艺, 在外延过程中通过控制三甲基铝（TMAl）流量, 分别获得EBL-1含有Al组分约20%、50%、80%的硅衬底GaN基黄光LED; 随后使用半导体仿真软件Silvaco Atlas对这3种样品的实际测试内量子效率曲线进行拟合。结果表明, EBL-1中Al组分对内量子效率的影响主要体现在两方面: 一是EBL-1的Al组分越高越有利于空穴从V形坑侧壁注入到多量子阱有源区; 二是EBL-1中过高的Al组分会降低p型GaN晶体质量, 导致空穴浓度下降; 综合表现为Al组分约50%的EBL-1在这种双层电子阻挡层的设计下最有利于提高硅衬底GaN基黄光LED的内量子效率。

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。

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了InGaN/AlGaN近紫外LED, 通过改变低温GaN插入层的厚度调控V形坑尺寸, 系统地研究了V形坑尺寸对InGaN/AlGaN近紫外LED（395 nm）光电性能的影响。结果表明, 低温GaN插入层促进了V形坑的形成, 并且V形坑尺寸随着插入层厚度的增加而增大。在电学性能方面, 随着V形坑尺寸的增大, －5 V下的漏电流从5.2×10-4 μA增加至6.5×102 μA; 350 mA下正向电压先从3.55 V降至3.44 V, 然后升高至3.60 V。在光学性能方面, 随着V形坑尺寸的增大, 35 A/cm2下的归一化外量子效率先从0.07提高至最大值1, 然后衰退至0.53。对V形坑尺寸影响InGaN/AlGaN近紫外LED光电性能的物理机理进行了分析, 结果表明：InGaN/AlGaN近紫外LED的光电性能与V形坑尺寸密切相关, 最佳的V形坑尺寸为120～190 nm, 尺寸太大或者太小都会降低器件性能。

通过测量光电流，直接观察了InGaN/GaN量子阱中载流子的泄漏程度随温度升高的变化关系。当LED温度从300 K升高到360 K时，在相同的光照强度下，LED的光电流增大，说明在温度上升之后，载流子从量子阱中逃逸的数目更多，即载流子泄漏比例增大。同时，光电流的增大在激发密度较低的时候更为明显，而且光电流随温度的增加幅度与激发光子的能量有关。用量子阱-量子点复合模型能很好地解释所观察到的实验现象。实验结果直接证明，随着温度的升高，InGaN/GaN量子阱中的载流子泄漏将显著增加，而且在低激发密度下这一效应更为明显。温度升高导致的载流子泄漏增多是InGaN多量子阱LED发光效率随温度升高而降低的重要原因。