GaN基LED及其材料.docx

GaN基LED及其材料一、GaN基LED概述随着科学技术的发展，人类的照明方式也不断更新换代，经历了从原始的明火照明，到如今的白炽灯、荧光灯、卤素灯，以及最新一代的氮化钱(GaN)发光二极管(Light-EmittingDiode,LED)固态照明的发展过程GaN基LED的发光效率和使用寿命都远远高于传统照明光源，可广泛使用在各类灯具'汽车的车前大灯和刹车灯等照明领域，可制备出红、绿、蓝三原色LED,用于电子设备'广告牌以及交通信号灯等全色显示领域，可提高光纤通讯的传输效率此外，LED还可以应用于生物'医疗、化工和光通信等领域LED最基本的结构就是p-n结，由p型GaN和n型GaN组成，其典型结构可见图5在同质p-n结两端加上一定的正向偏压时，p-n结的能带发生变化，如图6所示这时，n型GaN区的电子向p区扩散，p型GaN区的空穴向n区扩散，电子和空穴在耗尽区发生辐射复合从而发射出光子图5LED典型结构图n-GaN(b)p-GaNn-GaN中㊉e㊉山一、一图6(a)热平衡下和(b)正向偏压下p-n结能带图而光子的波长人和半导体材料的禁带宽度Eg的关系为人二等Eg其中，一是普朗克常数，c为光速。

当然，这种结构LED发光效率极低，发出的光子容易被价带的电子吸收，所以无法做成实用的LED器件，这需要我们在对他的结构再做进一步调整才行不过，通过图7皿族氮化物GaN、A1N和InN的晶格常数、禁带宽度和发光波长的示意图可看出，III族氮化物GaN、A1N和IiiN之间的组合能形成相应的三元化合物和四元化合物，其禁带宽度所对应的发光波长可覆盖全部可见光和部分红外、紫外光例如，通过调节AIGaInN中合金的组分比例，可以获取从0.7eV(lnN)一直连续变化到6.2eV(AIN)的宽带隙范围7Q I 13.0冢二山 ds pueg1 A I 1 1 1, 1 • , , 1 1 1 L 1 I3.2 3.4 3.6 3.8Latt i ce oarameters 「Al图7典型ni族氮化物的品格常数、禁带宽度和发光波长的关系图二、GaN材料生长GaN的熔点(2300C)远高于其分解点(900C)，这使得GaN在其熔点处需要很高的平衡氮气压因此GaN的体晶生长很难用传统的生长方法如拉单晶法和区熔法来实现，目前GaN体晶生长技术有两种：高氮压熔法和AMMONO法利用这两种方法得到GaN体晶存在很多技术问题，目前还很难解决。

因此，GaN晶体薄膜的外延生长引起了研究人员的高度关注，并取得了较大的发展GaN晶体薄膜外延生长包括同质外延生长和异质外延生长两种这两种外延生长的生长技术有三种：HVPE技术、M0CVD技术和MBE技术从生长速率上来看，HVPE最高，M0CVD次之，MBE最低；但从GaN晶体质量上来比较，MBE最好，M0CVD次之，HVPE最差由于很难制作出大尺寸、高质量、低成本的GaN体晶,GaN基LED的材料生长主要以异质外延生长为主由于衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、不同的芯片加工技术和不同的器件封装技术也就是说，衬底材料在一定程度上决定了半导体照明技术的发展路线因此，在衬底的选择和评价时，必须考虑衬底本身的物理化学性能，对材料外延、器件加工、器件应用、价格等综合因素的影响从长远发展来说，随着外延技术的进步和器件加工工艺的发展，不同的衬底技术路线优胜劣汰，有前途的应是有利于大幅度提高半导体光源性能价格比的衬底GaN衬底材料的选择主要取决于结构、界面'化学'电学'热学、机械等方面的特性以及尺寸、成木的大小目前，GaN基器件所用衬底主要是蓝宝石、SiC和Si。

蓝宝石衬底的尺寸可以做得比较大，而且成本较低，是GaN材料应用最多的衬底但是蓝宝石与GaN之间的晶格失配和热失配比较大，这使得外延材料中产生了很大密度的位错，影响了器件的质量除此之外，低热导率也限制了其在功率器件领域中的应用SiC与GaN之间的晶格失配和热失配都比较低，因此，SiC上面的GaN外延层位错密度较低，结晶质量较高与蓝宝石不同，SiC具有很高的热导率，这使得SiC成为了适合于大功率器件的材料之一SiC通过掺杂可以做成低阻材料，在背面可以做电极，简化了器件工艺然而，较高的成本使Sic的研究进展缓慢除了蓝宝石和SiC,Si由于成本低、尺寸大、电阻率低、热导率高等优点，而成为近几年的研究热占八、、°三'GaN材料的掺杂对GaN基LED器件来说，P型材料的空穴浓度直接影响着器件的发光效率和强度等重要参数cGaN基器件的核心工作区域为p-n结，由于n型GaN中电子的有效质量相对较低，迁移率高，因此可以很容易地溢出有源区进入P型区，与空穴进行非辐射复合p型GaN中空穴的有效质量大,p掺杂效率低,并且能带弯曲会引起的极化现象，空穴注入有源区变得更加困难因此对GaN材料N型掺杂和P型掺杂的控制尤为重要。

N型掺杂技术比较简单，通常使用施主元素Si进行掺杂即可P型掺杂的主要掺杂剂是Mg,但一般掺杂后得到的是高阻材料，必须经过热退火后才能得到P型材料，原因是受主原子Mg和残留的原子H会形成Mg-H复合体,这种复合体导致了Mg的钝化效应通过高温退火，或低能电子束照射，等手段可使Mg-H键断开，激活受到钝化的受主Mg但并不是说掺杂Mg的浓度越高，可得到的载流子浓度就越高四、GaN基LED结构及其原理目前，商业化的GaN基蓝光LED多采用InGaN/GaN多量子阱结构，其结构示意图如图8所示先在蓝宝石衬底上生长一层无掺杂的GaN作为缓冲层，再生长一层Si掺杂的GaN层作为n型区，紧接着生长多个周期的InGaN/GaN多量子阱作为复合发光区域，再生长p型AlGaN作为电子阻挡层(EBL),然后再用Mg掺杂GaN层作为p型区，最后在P型层和n型层两端分别形成两个电极Ni/AuGaN：Mg(lX10,9cm-3)P-AlGaN(50inn)TiALNi'AuMQ\Vs(InGaNGaN)(5nm/9nm)GaN:Si(2um.5X10^cm-3)UIDGaN(2.5imi)SapphireSubstrate图8InGaN/GaN多量子阱LED的基本结构多量子阱结构是由多个双异质结结构构成的。

在双异质结结构的两端时,由于两端材料的禁带宽度比中间材料大，所以会在能带中形成一个类似阱的形状，如图2-7所示当外加一定的正向电压时，n型区的电子进入中间区域后，由于电子势垒的阻挡会被限制在阱内；同理，P区的空穴进入中间区域后，由于存在着空穴势垒，空穴也会被限制在阱内此时被限制在阱内的电子空穴发生辐射复合，释放出光子Ec子势第空穴势举图2-7正向偏压下的双异质结能带图EcEfn五、总结LED在生活中的广泛应用正是LED技术发展意义的重要体现，GaN材料系列在制备蓝色发光器件和LED方而己经取得的突破性进展也体现了GaN材料对LED发展的必要性GaN材料还有许多路要走，这也向我们提出了要求。