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垂直结构的氮化镓基LED关键词：垂直结构LED，硅衬底，准氮化镣衬底，蓝宝石生长衬底，剥离生长衬底摘要】 垂直结 构氮化镣基LED具有电流分布均匀，充分利用发光层的材料，电流密度大，电阻降低，工作电压降低，产 生的热量减少，光取出效率提高，散热效率高等优点英文摘要】Vertical GaN Based LED Keywords: vertical LED, Si substrate, Quasi GaN based substrate, Sapphire substrate, removing growth substrate Abstract Vertical GaN based LED has the following features: uniformly distributed current, fully utilized active layer material, higher current density, lower resistance, lower voltage, generate less heat, higher light extraction, and higher heat dissipation rate, etc. 1 .垂直结构的氮化镣基 LED 的最新产品 2006 年 2 月， Cree公司宣布推出业界在350mA电流下的最高光效白光LED，XLamp(R)7090，达到光通量57流明和光 效47流明/瓦。

Cree公司的氮化镣基LED芯片是垂直结构2005年11月，Semiled的大功率垂直结构的氮 化镣基LED开始投入市场2005年11月，OSRAM推出新产品OSTAR白光产品，采用ThinGaN芯片， 在1W时达到50-60 lm,光取出效率得以提高 美国公司eLite (现改名为BridgeLux)在蓝宝石上长GaN 基LED,已经剥离蓝宝石成功，作成垂直结构GaN基LED预定今年下半年，垂直结构LED投入市场台 湾其他大公司，例如华上(Arima)，预定今年下半年，垂直结构氮化镣基LED投入市场2.背景 大功率 高亮度半导体发光二极管(LED)具有取代白炽灯的巨大前景工业上，产生白光的途径之一是利用荧光 粉覆盖蓝光氮化镣基LED 氮化镣基LED有两种基本结构：横向结构(lateral)和垂直结构(vertical) 横向结构LED的两个电极在LED的同一侧，电流在n-类型GaN层中横向流动不等的距离，由于n-类型 GaN层具有电阻，产生热量，如图1a所示 另外，蓝宝石晶片的导热性能低因此，大功率横向结构 氮化镣基蓝光LED需要解决下述问题：(1)散热效率低；(2)发光效率仍需提高。

上述问题在很大程度上 取决于LED的结构和生长衬底 众所周知，电流拥塞可以用电流沿x轴的分布表示，见图1： J(x) =J(0) exp( - x/L),其中，L =寸(pc + tp pp ) tn /pn］, J(0)是在P电极边缘的电流，pc是P-类型的接触电 阻，pp是P-类型的电阻，pn是n-类型的电阻，tp是p-类型GaN层的厚度，tn是n-类型GaN层的厚度 在 靠近N电极的P电极的边缘(x = 0)，电流最大，电流拥塞在x >0的位置，电流随x增大而减小，因 此，电流分布不均匀，不能充分利用发光层的材料垂直结构的氮化镣基LED的两个电极分别在氮化 镣基LED的两侧(图1b)，由于图形化电极和全部的p-类型GaN层作为第二电极，使得电流几乎全部垂 直流过氮化镣基外延层，没有横向流动的电流因此，电阻降低，没有电流拥塞，电流分布均匀，充分利 用发光层的材料，电流产生的热量减小，电压降低，抗静电能力提高垂直结构的氮化镣基LED的优 点是众所周知的［1］使用具有高热导率的支持衬底的垂直结构的氮化镣基LED还具有导热性能高的优点 LED行业的大公司，例如，通用电气，日亚［2］，欧司朗，国联，等，都在研究垂直结构LED的产业化工艺。

通过使用SiO2作为缓冲层和电子阻挡层提高有机发光二极管的亮度 和效率摘要：在OLED器件的空穴传输层和电子传输层中间插入一层无机的SiO 2层，制备了新型的器件结构在器件 indium-tin oxide (ITO)/poly ［2-methoxy-5-(20-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene］(MEH-PPV)/tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq 3 )/Al中，载流子复合区是在 MEH-PPV层中但是在器件ITO/MEH-PPV/SiO 2 / Alq 3 /Al (器件 A) 中，载流子复合区转移到了 Alq 3层中在另一个器件ITO/N,N0-bis-(1-naphthyl)-N, N0-diphenyl-1,10-biphenyl-4-40-diamine (NPB)/Alq 3 /LiF/Al 中，当在 NPB 和 Alq 3 层中加入 SiO 2 层， 器件的亮度和效率都增加这被归因于电子和空穴平衡的提高的结果我们的实验结果证明了 SiO 2层在 器件中，不仅作为缓冲层，同时也作为电子阻挡层。

在提高有机发光二极管的亮度和效率方面，增加和优化电荷注入和传输是个很重要的问题载流子的 不平衡导致OLED效率的降低是目前公认的一个原因现在人们把更多的努力放在了提高注入到发光层 中的空穴和电子的平衡上面［1-5］缓冲层或载流子阻挡层的插入是提高OLEDs性能的一个有效的方法 如Poon等人［3］使用SiO x N y，Qiu等人［4］使用聚四氟乙烯作为阳极缓冲层来降低器件启动电压， 提高器件效率我们知道，SiO 2是一种在微电子工业和薄膜电致发光器件中使用非常广泛的材料在使用SiO 2作 为催化层的有机-无机异质结结构中，固态阴极发光(solid-state cathodoluminescence )也被观察到过 ［6,7］此外，Deng等人［5］通过在ITO和空穴传输层中间插入SiO 2层，使器件的效率提高2倍在这篇文章的工作里，我们在空穴传输层和电子传输层间插入一层极薄的SiO 2层，在器件Indium-Tin Oxide (ITO)/ poly［2-methoxy-5-(2 0 -ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene］(MEH-PPV)(80 nm)/ tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum(Alq 3 )(40 nm)/Al 中，载流子复合区位于 MEH-PPV 层中，但是在器件 ITO/MEH-PPV(80 nm)/SiO 2 /Alq 3 (40 nm)/Al (device A)中，载流子复合区转移到了 Alq 3 层。

在另一个 器件 ITO/N,N 0 -bis-(1-naphthyl)-N,N 0 -diphenyl-1,1 0 -biphenyl-4-4 0 -diamine (NPB) (40 nm)/SiO2/Alq 3 (40 nm)/LiF (0.5 nm)/Al (device B)中，在NPB和 Alq 3中插入了 SiO 2层后，由于器件中空穴可电子的 平衡的提高，器件的亮度和效率都得到了增加我们的实验结果证明在这些器件中的极薄的SiO 2层不仅 作为缓冲层，同时也起着电子阻挡层的作用2实验方法ITO玻璃衬底(面电阻80 Q /m)首先连续地在乙醇、丙酮和去离子水中进行超声水浴MEH-PPV 薄膜通过旋涂制备SiO 2薄膜通过电子束蒸发方法获得蒸发条件为真空度2 x 10 -6 torr，生长速率 为1A/SNPB(40nm)，Alq 3 (40nm)和LiF(0.5nm)通过传统的热蒸发技术制备，生长速率分别为 0.04,0.04和0.02nm/sAl电极在真空度为10 -5 torr时，通过热蒸发技术生长，厚度约200nm电致 发光光谱和光致发光光谱通过Spex fluorolog-3型分光计测量。

器件的电流-电压特性曲线通过Keithley R2400电源测量器件亮度使用Photo Research Light Meter 650测量所有测试都是在室温和大气环境下 测量的3结果和讨论图1显示的是具有不同厚度SiO 2层的器件A (ITO/MEH-PPV/SiO 2 /Alq 3 /Al)电致发光光谱所 有的器件都是在相同的偏压(8V)下进行测量的只有在没有插入SiO 2层的器件中看到了 MEH-PPV 材料的电致发光(峰值在576nm处)随着SiO 2层厚度的增加，从Alq 3中发出的光(峰值在508nm 处)的比例也迅速增加当SiO 2层厚度为5nm时，Alq 3的发光在光谱中占主要地位这个结果说明 载流子复合区已经转移到了 Alq 3中从图2 ( a)器件A的能带图中可以看到，电子和空穴通过 MEH-PPV/Alq 3界面处需要克服的能垒分别是0.1和0.4eV电子可以很容易的注入到MEH-PPV层 中，而空穴在MEH-PPV层中是受限制的所以在没有SiO 2层的器件中，载流子复合区位于MEH-PPV 层中而在器件中插入了极薄的SiO 2层后，载流子复合区转移到了 Alq 3层，因此，我们可以得出结论， SiO 2层阻挡了电子从Alq 3层到MEH-PPV层的传输。

在1999年，Deng等人［5］通过在ITO和空穴传输层中间插入SiO 2层作为缓冲层，使器件的效 率提高了一倍他们把性能的提高归因于空穴和电子注入平衡的提高我们预期SiO 2层作为缓冲层和电 子阻挡层，可以获得更高的载流子平衡水平我们制备了具有不同SiO 2层厚度（0,0.5,1,2和5nm）的 器件B （ITO/NPB/SiO2/Alq3/Al），在所有的器件中，只有Alq 3的发光被观察到了图2.器件A （ a）和器件B （ b）的能带示意图器件B的能带示意图如图2 （ b）所示因为电子和空穴穿过NPB/Alq 3界面需要克服的能垒分 别是0.9和0.5eV，空穴可以容易的注入到Alq 3层中，而电子被限制在Alq 3层中因此复合区位于 Alq 3层因为在NPB层中空穴迁移率的数量级大于Alq3中电子迁移率的数量级［8］，SiO 2插入层 可以作为缓冲层，降低空穴电流此外，SiO 2插入层可以作为电子阻挡层，限制Alq3层中的电子因 此可以得到更大的平衡电流，更高的电致发光发射1， 2和5和nm）的器件B的电流-电压和电压-亮 度曲线图3显示的是具有不同厚度SiO 2薄膜厚度的器件B的电流-电压和电压-亮度曲线。

与预想的 一样，电流密度随着SiO 2层厚度的降低而增加图4显示在这些器件中，电流密度为25mA/cm 2时， 具有0.5nm厚度SiO 2薄膜的器件展示了最高的亮度1290Cd/m 2，该器件相应的电流效率是 5.1Cd/A而对比器件，没有SiO 2层的器件在电流密度为25mA/cm 2时，器件的电流效率仅有 2.6Cd/A因此，具有0.5nm厚的SiO 2层的器件的电流效率是没有SiO 2层器件的2倍SiO2层厚 度超过1nm时，器件的亮度和效率显著下降实际上，通过优化器件结构和提高工艺条件，器件性能还 可以进一步提高器件的亮度和效率的提高可以归因于空穴和电子平衡的提高如前所述，一个在空穴传输层和电子传 输层中间的极薄的SiO2插入层不仅可以禁止电子流向正极，而且也可以降低空穴的数量从而使得复合 区里，电子的数量增加而空穴的数量降低，得到更大的平衡电流最后器件的亮度和效率得到增加图4.具有不同SiO 2厚度(0,0.5,1,2和5nm)的器件B的电流密度-效率曲线4.结论在本文中，在空穴传输层和电子传输层中间插入一个无机SiO 2层。