具有纳米空腔的大面积柔性GaN基LED的制备及特性研究

Inorganic compound semiconductors such as GaN provide many advantages over organic materials for optoelectronic device applications, including high carrier mobility and radiative recombination rates, as well as long-term stability and reliability. If the hard, inelastic, and inflexible properties of the growth substrates are overcome, therefore, GaN-based LED films will draw much attention in many devices, such as folding displays,solar cells, and implantable biomedical devices.In this project,(1) Nanoporous GaN films will be fabricated by a novel nanoetching process;(2) nanoporous GaN films will be converted into the films with GaN/nanocavities periodic structure in a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD)system via an annealing process; (3)n-GaN,InGaN/GaN multi-quantum-well structures （MQWs）and p-GaN films will be grown on the annealed GaN films which have been separated from sapphire substrates in the MOCVD system; (4) The GaN-based LED films will be transferred to soft substrates by a polydimethylsiloxane (PDMS) method; (5) The optoelectronic properties of the GaN-based LED devices with nanocavities,well width,barrier thickness, well number, and well constituents will be systematically investigated. The method will be helpful to improve the preparation technology of the flexible GaN-based films in China，and provide the theory basis and experimental data for their applications.

与有机半导体材料相比，无机半导体材料（如：GaN）不仅具有更高的载流子迁移率和辐射复合率，而且还具有更为长期的稳定性和可靠性。因此，若能将GaN基LED薄膜转移到柔性衬底上，势必将促进其在可折叠式显示、太阳能电池和生物医学器件等方面的应用。在该项目中，（1）采用电化学刻蚀n-GaN薄膜技术制备纳米多孔GaN；（2）采用退火技术将多孔薄膜转化为具有GaN/纳米空腔周期性结构的GaN薄膜，并实现与蓝宝石衬底的分离；（3）通过MOCVD技术在空腔薄膜上先后外延生长n-GaN、InGaN/GaN多量子阱结构和p-GaN等薄膜；（4）通过聚二甲基硅氧烷压印技术将上述外延膜转移到柔性衬底；（5）全面系统地研究柔性、GaN/纳米空腔周期性结构和多量子阱结构等参数对柔性LED薄膜光电特性的影响。该项目的开展将有助于提升我国柔性GaN基复合薄膜的制备技术，并为这类薄膜的应用提供重要的理论和实验数据。

与有机半导体材料相比，无机半导体材料（如：GaN）不仅具有更高的载流子迁移率和辐射复合率，而且还具有更为长期的稳定性和可靠性。因此，若能将GaN基LED薄膜转移到柔性衬底上，势必将促进其在可折叠式显示、太阳能电池和生物医学器件等方面的应用。为了制备柔性的、具有分布布拉格反射镜（DBR）结构的、大面积的GaN基发光二极管（LED）器件，我们对纳米多孔GaN薄膜制备机制和剥离技术进行了深入系统的研究，并在此基础上通过电化学刻蚀技术制备出2英寸、反射率最大可达99.5%的、且反射峰半高宽大于100nm（这是我们已知最大半高宽）的GaN/纳米多孔GaN DBR薄膜；要想在DBR薄膜表面进行GaN基LED薄膜器件的再生长，在氨气气氛中对纳米多孔GaN薄膜进行高温退火，并研究退火机制是十分必要的。研究发现：（1）孔形状由纳米多孔向纳米空腔转变；（2）950℃退火不仅能提高DBR结构的反射率而且还可以实现DBR结构与蓝宝石衬底的分离。在此基础上，采用有机金属气相外延沉积（MOCVD）方法在DBR薄膜上异质外延生长GaN基LED器件，其生长步骤如下：在950℃下生长厚度为500nm的n-GaN薄膜后（为保护DBR结构不被破坏），按传统工艺生长InGaN/GaN基蓝光LED器件。与未刻蚀GaN薄膜上再生长的LED器件相比，具有DBR结构的LED具有应力松弛、光致发光强度平均增强6倍、光致发光寿命增加3倍、结晶质量明显提高、和表面方均根粗糙度降低等优良特性。若将具有DBR结构的GaN基LED薄膜转移至柔性衬底上，其被弯曲2000次以后仍能保持其优良的光学特性。此外，我们还全面系统地研究柔性、GaN/纳米空腔周期性结构和多量子阱结构等参数对柔性LED薄膜光电特性的影响。该项目的开展将有助于提升我国柔性GaN基复合薄膜的制备技术，并为这类薄膜的应用提供重要的理论和实验数据。