III-族氮化物LEDs的复杂界面对注入载流子发光效率影响的研究

大注入电流密度下III-族氮化物发光器件的发光效率骤降（Efficiency Droop）现象是固体照明能得到普遍应用的首要制约因素。目前该现象产生的主要原因仍存在很大争议。本项目试图从载流子通过氮化物发光二极管结构界面时发生的漂移、扩散及复合入手，对由单量子阱到多量子阱结构的、具有不同In组分的InGaN 蓝绿光发光二极管外延结构及相应器件，分别通过光、电注入手段研究载流子通过界面的行为对氮化物发光二极管的辐射复合发光效率的影响，利用载流子输运方程进行实验结果模拟，找出决定效率骤降现象的主要参数，建立起能描述实验现象的最小物理模型，提出解决该问题的方法并进行实验验证。本项目的难点在于构建可解释实验结果的最小物理模型，而其关键又在于通过实验获得决定效率的参数。该项目的成功实施将为解决大注入电流密度下InGaN基发光材料及器件的效率骤降提供理论依据和材料生长及器件制作方向。

GaN基发光二极管的主要应用集中于照明、显示、传感、生物技术以及医疗器械等方面。但是随着注入电流的增加，其发光效率会明显的下降，这就是效率骤降现象。目前的研究表明，俄歇效应和量子阱中的载流子泄漏是引起该现象的主要原因。本研究利用光注入、电注入的手段研究了载流子通过通过InGaN量子阱结构时所发生的漂移、扩散以及复合，系统研究了具有单量子阱结构、双量子阱结构的InGaN LED发光材料，其主发光波段分别位于紫光、蓝光以及绿光发光波段。研究结果表明，随着In组分的增加，效率骤降现象越发明显。这是由于In的团簇凝聚（相分凝）现象而导致的载流子输运所经历的界面复杂化所引起的。低温下的研究结果表明，GaN基材料中所存在的高密度位错并不是引起效率骤降的主要原因，俄歇复合对于高注入电流密度下的效率骤降现象的影响也很小，载流子在界面处的扩散与漂移是在大注入电流密度下出现效率骤降现象的主要原因。随着温度的升高，在较小的注入载流子密度下，SRH复合占主要优势，这与非辐射复合中心的热激活有关。但是在高注入载流子密度的条件下，效率骤降现象仍与载流子在界面处的输运密切相关。在此基础之上，我们重新构建了载流子的输运方程，并用它对实验数据进行处理，得到了一致的结果。这为处理InGaN LEDs结构中的效率骤降现象提出了一个重要的半经验公式。在此基础之上，我们通过对具有高In组分的InGaN多量子阱发光结构进行生长后处理，得到了亚微米级的柱状结构，并对此进行效率骤降现象研究。结果表明，相对未微米化的外延结构，效率骤降现象得到了一定程度的削弱，这主要是载流子远程扩散与漂移得到了抑制；考虑到微加工对柱状结构的侧壁造成的损伤，增加载流子的局域化对改善效率骤降现象具有重要的应用价值。