大电流密度下绿光LED内量子效率的研究

Green LEDs welcome an increasing application in general and special lighting. Yet, the performance of green LEDs fall far behind blue and red ones. It is not only because of its low internal quantum efficiency but also due to the rapid decreasing of efficiency when driven at a large current density. The so-called droop effect of green LED is much more significant than that of blue. In the present research we intend to study the transfer and recombination mechanism of carriers then further reveal the nature of polarization field, Auger recombination and defects in the Indium-rich quantum well by semiconductor band-gap simulation as well as experiments. By optimizing the epitaxial structure, developing nano-patterned substrate epi-growth, utilizing the modified non-polar and semi-polar substrate and renovating the vertical chip structure and process, we aim to provide a series of solutions for high efficiency, high power green LED, including both epitaxial growth and chip design. The quantum efficiency is expected to be significantly enhanced at large current density. The successful implement of this program benefits the fundamental research on science and technology of GaN optoelectronic semiconductor and lays foundation for the development of high power high brightness green LEDs.

绿光二极管（LED）在通用和特殊照明方面应用日益广泛。但是绿光LED性能仍远远落后于蓝光和红光LED。主要原因是内量子效率太低， 而且在大电流密度下效率下降很快，droop效应比蓝光LED严重得多。本项目拟通过半导体能带模拟和实验研究大电流密度下量子阱中载流子的传输和复合机制，研究多铟量子阱中极化电场，俄歇复合，位错密度等对LED内量子效率影响的科学本质。通过外延结构调整，纳米图案化衬底的外延生长，新型非极性和半极性衬底高铟量子阱效率的研究，和大功率垂直结构绿光LED芯片创新四大方面，提出大电流密度下高效绿光LED的外延生长和芯片设计方案。有望使绿光LED在大电流密度下大幅提高量子效率。本项目对当前氮化镓半导体光电科学基础研究有促进作用。为发展适合大功率驱动，高亮度需求的绿光LED奠定基础。

绿光发光二极管（LED）在通用和特殊照明方面应用日益广泛。但是绿光LED性能仍远远落后于蓝光和红光LED。主要原因是内量子效率太低，而且在大电流密度下效率下降很快（droop效应）。严重制约高质量、高效率固态氮化物白光的发展，以及在国防军事方面的应用。.本研究围绕四个主要方面开展研究：1. 高In组分量子阱能带模拟；2. 大电流下效率droop；3. 微米图案化衬底设计制备以及外延生长；4. 表面等离子激元绿光。.1..通过APSYS模拟分析软件研究了不同量子阱In含量的绿光InGaN LED的发光特性及其物理机制。研究了InGaN插入势垒层对绿光LED的发光特性的调制，实现了电子漏率降低，器件内量子效率效率有效地提高。.2..通过扫描近场光学显微的测量方法来研究大尺寸V形缺陷的微区光学特性。空穴注入深度在V形缺陷内部相比于外部发生了明显提高。观测到了存在大尺寸V形pits的样品有更强的底层量子阱发光，建立大尺寸V形缺陷区域等效电路模型。说明通过生长大尺寸V形缺陷的方法来抑制效率droop是有效的。.3..引入激光加工技术在c-plane蓝宝石衬底上制备出凹型半球状图形化衬底（HPSS），在衬底侧边形成半极性面。通过横向外延生长（ELOG）方法在500nm的绿光LED外延层中嵌入了凹型半球状空腔结构。重点研究了这种HPSS衬底对LED的InGaN有源层质量以及对LED器件的光学和电学特性的影响。.4..成功制备出具有表面等离子体（SP）的绿光LED，并对其光学特性和电学特性进行分析。纳米颗粒的引入，还减小了绿光LED的电压，改善了绿光LED的热特性。系统地研究了绿光LED的有源区量子阱（QWs）与表面等离子体的耦合特性。该方法直观地证实了SP增强绿光LED发光的实验现象和IQE增强机制。..本项目对当前氮化镓半导体光电科学基础研究有促进作用。为发展适合大功率驱动，高亮度需求的绿光LED奠定基础。综合厘清影响droop的主要因素，提出大幅度提升大电流密度下发光效率的方案无论对科学界还是工业界意义重大。