GaN基LED的关键技术研究

论文摘要

GaN基LED作为一种新型的固态光源,具有低功耗,长寿命,高发光效率等优点,在显示、照明、指示方面发挥着越来越大的作用。尽管GaN基LED具有许多性能上的优点,但是仍然有许多的问题有待解决,例如p-GaN材料的激活,p型透明电极的制备以及器件可靠性的相关研究。本文研究了GaN基LED制备过程中的关键工艺,器件电学特性的退化以及影响器件发光特性的内在机制,为制备高亮度GaN基蓝光LED铺平了道路。主要的研究工作和成果如下:1.充分考虑H在GaN材料中可能发生的反应,并对其中的可逆反应进行了深入的讨论。结合p-GaN中H通过补偿受主杂质从而影响p型掺杂浓度的作用机制,对n-GaN材料中H的作用机制进行完善和扩展。2.研究了在空气和氮气中p-GaN材料的退火实验,实验表明,在氮气中退火后,p-GaN材料中大量的H还会留在体内,只是在退火后会形成某种含H稳定物,而这种含H稳定物在受到外界热应力的作用下分解,从而使Mg-H络合物重新生成,导致p-GaN材料的微分电阻的增大。而在空气中退火后,大部分的H从材料体内析出,导致材料内的H含量显著的减少,所以能够形成的含H稳定物也就更少,因此其微分电阻基本不受外界热应力的影响。3.讨论了GaN基LED制备过程中的关键工艺,系统阐述了欧姆接触的制备,研究了不同退火气氛中Ni/Au欧姆接触的退火模型,并进行了分类、总结。对空气中退火的Ni/Au电极进行了微结构分析。通过实验证实了Ni和Au在p型欧姆接触中所起的作用是不同的,分析发现,Ni的作用是形成欧姆接触,而Au的作用是提供传导路径,从而提高Ni/Au薄膜的传导性。4.研究了小电流下GaN基LED的I-V特性,进一步完善了传统的扩散-复合理论,提出了空穴引起的隧穿电流模型。研究了大电流应力下GaN基LED的退化,分析发现,亚阈值区电流的退化是由浅能级缺陷引起的。p-GaN表面在电应力作用下出现裂纹,直接影响到p型电极表面形貌,导致串连电阻增大,从而引起正向导通区的退化。通过对反向截至区的退化研究发现,小反偏压下的退化主要是由缺陷辅助隧穿引起,而大反偏压下的退化主要是由带间直接隧穿引起。5.研究了GaN基LED器件结构和材料特性之间的关系,通过EL谱分析,发现了材料极化场与载流子屏蔽效应之间相互竞争的关系,此外,还研究了热效应对GaN基LED峰值波长的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 GaN 材料概述
• 1.2 GaN 基LED 的发展以及应用前景
• 1.2.1 以蓝宝石为衬底的GaN 基LED
• 1.2.2 以Si 为衬底的GaN 基LED 的发展
• 1.3 本文的主要工作与安排
• 第二章 H 原子对GAN 材料的作用
• 2.1 MOCVD 技术概述
• 2.1.1 MOCVD 系统特点
• 2.1.2 新型MOCVD 系统
• 2.1.3 西电MOCVD 系统的反应室设计
• 2.2 H 与GaN 中掺杂剂的基本作用原理
• 2.3 退火对GaN 材料的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 GAN 基LED 的制备以及工艺流程
• 3.1 材料的生长和器件的制备
• 3.1.1 材料的生长
• 3.1.2 GaN 基LED 的工艺流程
• 3.2 n-GaN 欧姆接触
• 3.3 p-GaN 欧姆接触
• 3.3.1 退火后p 型电极结构模型
• 3.3.2 空气中退火后Ni/Au 电极的微结构分析
• 3.3.3 对氧化的Ni/Au 薄膜结构的能带结构分析
• 3.3.4 在氮气中退火情况的讨论
• 3.4 本章小节
• 第四章 GAN 基LED 特性研究
• 4.1 GaN 基LED 的电学特性研究
• 4.1.1 GaN 基 LED 基本电学特性研究
• 4.1.2 GaN 基 LED 的可靠性研究
• 4.2 p 型欧姆接触表面分析
• 4.2.1 电子束与固体样品相互作用时产生的物理信号
• 4.2.2 衬底原理及其应用
• 4.2.3 电应力对 p 型 Ni/Au 表面形貌的影响
• 4.3 GaN 基 LED 光学特性的研究
• 4.3.1 GaN 基 LED 的发光结构机制分析
• 4.3.2 GaN 基 LED 的 EL 光谱研究
• 4.4 本章小节
• 第五章 结论
• 5.1 本文的主要贡献
• 5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目