GaN基LED材料中极化场调控的研究

GaN基白光LED和传统的照明灯具相比，具有能耗低，寿命长等突出优点。被视为节能，环保的绿色照明光源。潜在着巨大的社会和经济效益。但目前还存在着光提取效率低和内量子效率低的问题。内量子效率低是由于GaN基材料中存在极强的极化电场，在蓝宝石（0001）面衬底上生长的InGaN/GaN量子阱有源层在极化场作用下，能带发生明显的倾斜，使量子阱中电子和空穴波函数发生分离，降低辐射复合发光效率。本研究以降低GaN基材料中极化电场对LED内量子效率的影响，获得具有高内量子效率的GaN基LED为目的，利用能带工程来实现GaN基材料中极化场的调控，提出通过调制量子阱中的In组分的方法，使In组分改变引起的能带倾斜方向和阱中极化场引起的能带倾斜方向相反，减小能带弯曲程度，提高辐射复合几率。结合非对称量子阱和p型掺杂量子阱结构减小量子斯塔克效应，一定程度上减弱光效Droop现象和改善发光波长的稳定性。

GaN基白光LED作为新一代的节能照明光源，具有广阔的市场前景和经济效益。目前量子阱中极化场的调控以及光效Droop现象对器件发光性能的影响仍然是其研究热点。本项目提出通过调制量子阱中的In组分的方法实现GaN基LED量子阱中极化场的调控。理论和实验结果表明In组分渐变的量子阱结构能够有效降低LED有源层中的极化场，提高辐射复合几率，减弱了光效Droop现象和改善了发光波长的稳定性。我们还研究了阱宽、垒宽、In组分渐变方向等参数对In组分渐变的量子阱的辐射复合效率和发光机制的影响。在此基础上得到在大电流注入下，极化场和电子漏流可能是引起光效Droop现象的主要机制。为了更进一步实现对极化场的调控，本项目还对弱极性面InGaN/GaN量子阱能带结构，电子和空穴波函数分布以及复合几率进行分析计算，采用MOCVD二次外延技术在{1(1) over bar 01 }和{11 (2) over bar 2}弱极性面上实现LED器件外延片并研究了其发光机制，研究结果表明弱极性面上较小的极化场有效提高了LED的内量子效率。本项目在InGaN/GaN量子阱中极化场的调控，光效Droop现象的机制研究及减弱，以及提高LED的内量子效率等方面取得了一系列成果。