基于V型坑的InGaN三维量子阱生长与性能研究

As a type of bulk defect, V-pits are commonly used to screen dislocations in InGaN quantum wells, which can enhance the efficiency of LED. In this project, we propose a new concept of growing three dimension quantum wells on the sidewall of V pits to improve the efficiency droop behavior of InGaN based LEDs, with three aspects are concerned. Firstly, the active region of LED can be enlarged, which can reduce the carrier density and lessen auger recombination. Secondly, the sidewall of V-pits is of semi-polarity, lead to a weak piezoelectric field. And thirdly, the sidewall of V-pits can enhance hole injection which can improve inequilibrium carrier status. All these facts cover the three main streams of efficiency droop mechanism (auger recombination, piezoelectric related carrier leakage and insufficient hole concentration), and have solution for each mechanism. Through this study, we expect to make a breakthrough on the reduction of efficiency droop for GaN based LEDs.

作为一种体缺陷，V型坑通常被用来屏蔽InGaN量子阱中的位错，以提高LED发光效率。本项目拟利用V型坑侧壁生长三维量子阱，以改善InGaN基LED的效率droop，主要基于三方面考虑：首先，三维量子阱能增大LED发光区的面积，降低载流子密度，减轻俄歇复合；其次V型坑侧壁为半极性面，量子阱中的压电场较小；第三，利用V型坑侧壁提高空穴注入，改善载流子不匹配度。以上三种因素涵盖了目前LED效率droop机理的三种主流观点，即俄歇复合、压电场造成的载流子泄漏以及空穴浓度不足造成的电子溢出，针对三种droop机理均有对应的优势。期望通过本项目的研究，在降低InGaN基LED效率droop方面取得较大的突破。

InGaN基LED效率随注入电流密度增加而急剧下降的现象也被称作效率Droop，一直以来该问题未能被较好地解决。当前，传统的InGaN基LED材料结构在效率提升方面已接近极限，因此一些研究人员提出了半极性、非极性、核壳、量子点等新型结构试图解决效率Droop，取得了一定的成效，但也存在各种不足。本项目提出了利用InGaN材料中的位错形成的V形坑生长三维量子阱，期望探索V形坑对LED性能的影响，降低InGaN基LED效率droop。项目设计了V形坑完全覆盖表面的LED外延结构，制定了V坑生长与合并的工艺条件，生长并表征了不同工艺条件对V形坑生长于合并的影响，根据材料表征结果反复优化了外延结构与工艺条件，在成熟的外延结构和工艺条件基础上制备了含三维量子阱的LED器件，系统分析了外延结构和工艺条件对器件性能的影响。项目取得了以下重要成果：其一是揭示了V形坑的形成机理并构建了V形坑动力学模型，根据该模型，可预测工艺条件对V形坑的产生、生长、合并等演变行为的影响，进而调控V形坑的尺寸、深度、覆盖面积、侧壁厚度等参数，为V形坑技术的应用提供了重要的基础。其二是系统研究了V形坑对载流子的输运、分布和复合行为的影响，发现了V形坑的存在会导致“空穴泄漏”现象，与传统LED器件中通常存在的“电子泄漏”相反，此发现丰富了LED器件物理理念。此外，项目还获得了100A/cm2电流密度以下效率几乎不变的LED器件，极大地改善了效率Droop。项目取得的部分成果，已应用于商业化的LED生产中进行应用。