（材料物理與化學(xué)專業(yè)論文）si襯底gan基藍(lán)光led器件性能研究.pdf

s i 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 摘要 g a n 半導(dǎo)體材料為直接帶隙材料，在信息顯示和固態(tài)照明等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用 前景。相對(duì)于藍(lán)寶石襯底而言，s i 作為g a n 藍(lán)光l e d 襯底有許多優(yōu)點(diǎn)，如：良好的導(dǎo) 電、導(dǎo)熱性、晶體質(zhì)量高、尺寸大、成本低、容易加工等。然而由于s i 襯底與g a n 外 延層之間巨大的晶格失配和熱失配，這使s i 襯底上的g a n 材料產(chǎn)生大量的位錯(cuò)及裂紋， 為s i 襯底上g a n 材料生長(zhǎng)設(shè)置了障礙。近幾年來(lái)，在s i 襯底上生長(zhǎng)g a n 取得了很大 的進(jìn)展，有少數(shù)幾家研究組報(bào)道在s i 襯底上制備出了g a n 基發(fā)光器件。但對(duì)其l e d 器 件的性能的研究并未深入，本論文主要研究了s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 器件的一些性能： 可靠性，結(jié)溫特性，l 礦曲線與其結(jié)晶性能關(guān)系。得到了如下一些有意義和部分有創(chuàng)新 性的研究結(jié)果： 1 將s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 與藍(lán)寶石襯底g a n 藍(lán)光l e d 樣品在工作電流為2 0 m a 時(shí)，放在1 2 0 高溫環(huán)境中加速老化3 個(gè)小時(shí)，未見(jiàn)s i 襯底g a i n 藍(lán)光l e d 光強(qiáng)發(fā)生衰 減，而藍(lán)寶石襯底g a n 藍(lán)光l e d 光強(qiáng)有少許衰減，這間接證明了s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 有良好可靠性。 2 本文首次報(bào)道s i 襯底g a n 基l e d 的結(jié)溫特性，分析指出：和結(jié)溫與電流的對(duì) 應(yīng)關(guān)系相比，用結(jié)溫與電流密度更能夠反映器件性能。通過(guò)與藍(lán)寶石襯底上g a n 藍(lán)光 l e d 的結(jié)溫比較，發(fā)現(xiàn)s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 有更低的結(jié)溫，原因歸結(jié)為s i 有更好的 導(dǎo)熱性。 3 首次報(bào)道s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 的理想因子。 首次發(fā)現(xiàn)了理想因子和x 射線斜對(duì)稱衍射( 1 0 2 ) 半峰寬有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，理 想因子大的樣管，其外延材料( 1 0 2 ) 衍射半峰寬大，反之亦然。這表明g a n 藍(lán)光l e d 大的理想因子主要是由于外延材料高缺陷密度所致。 研究了s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 的二礦特性曲線隨溫度變化關(guān)系，結(jié)果表明曲線的 ( 西z ，) 。礦的斜率變化不大，但理想因子隨溫度變化顯著減少。 本論文得到了國(guó)家8 6 3 納米專項(xiàng)( n o 2 0 0 3 a a 3 0 2 1 6 0 ) 和電子發(fā)展基金資助 關(guān)鍵詞：s i 襯底；g a n ；l e d ；結(jié)溫；理想因子 s i 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 a b s t r a c t g a nb a s e ds e m i c o n d u c t o r sm a n i f e s taw i d ed i r e c tb a n dg a p ，a n dh a v eb e e n d e m o n s t r a t e dal a r g ep o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o n si no p t o - e l e c t r o n i cd e v i c e s f o ra l lt h e s e a p p l i c a t i o n s ，t h ei i i vn i t r i d el a y e r sa r eu s u a l l yg r o w no ns a p p h i r eo ro ns i l i c o nc a r b i d e s u b s t r a t e s h o w e v e rt h ed e v e l o p m e n to fs o m eo ft h e s ea p p l i c a t i o n so ns i l i c o n ( s i ) s u b s t r a t e s h a so b v i o u st e c h n o l o g i c a la d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gt h el o wc o s t ，l a r g e - s c a l ea v a i l a b i l i t y , g o o d t h e r m a la n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t i e sa n dt h ef e a s i b i l i t yo fr e m o v i n gt h es is u b s t r a t e sw i t h w e te t c h i n g s i g n i f i c a n tm i s m a t c h e si nl a t t i c ec o n s t a n t sa n dt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t so f s i l i c o na n dg a ni ng r o w t hp r o c e s si se x i s t e d s n c hd i f f e r e n c e sc a u s ec r a c kf o r m a t i o nw h e n t h et h i c k n e s so ft h eg r o w nf i l me x c e e d sac r i t i c a lt h i c k n e s s ，w h i c hw i l lb r i n gi ns o m e q u e s t i o n sa b o u tr e l i a b i l i t i e so fl e dd e v i c e s 。c o n s e q u e n t l y , i ti se s s e n t i a lt os t u d yt h e r e l i 曲i l i t i e so f b l u eg a n l e do ns is u b s t r a t e i n t h i sp a p e r , s o m ed e v i c ep r o p e r t i e so fg a nl e do i ls is u b s t r a t e si ss t u d i e d ， i n c l u d i n g ：r e l i a b i l i t i e s ，j u n c t i o nt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，i - vc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e c o r r e s p o n d i n gi d e a l i t yf a c t o r s o m es i g n i f i c a n ta n di n n o v a t i v er e s u l t s i s a c h i e v i n ga s f o l l o w i n g ： 1 t h el i g h ti n t e n s i t yo fb l u eg a n l e do ns is u b s t r a t ed o e s n td e c r e a s ef o rt h r e e h o u r sw h e nt h el e d sw e r ea g e di n1 2 0 * ca m b i e n c ea n dd c2 0 m ao p e r a t e dc u r r e n t i 1 1 c o n t r a s t ，t h a to fb l u eg a nl e do ns a p p h i r el e dd e r e a s el i g h t l yi nt h es a m ec o n d i t o n ，w h i c h s u g g e s t st h eg o o dr e l i a b i l i t i e so f g a nl e do ns is u b s t r a t ei n d i r e c t l y 2 t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co fg a nl e do ns is u b s t r a t ei sf i r s t r e p o r t e d i ti ss u g g e s t e dt h a tc n r r e n td e n s i t yh a s t e a do fc l l r r e n tc a nb eu s e dt oe x p r e s st h e r e l a t i o nw i t ht h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ew e l l c o m p a r e dt ot h eg a nl e do ns a p p h i r e ，i ti s f o u n dt h a tt h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ei sl o w e rf o ral e do ns is u b s t m t e ，w h i c hi sc o n t r i b u t e d t ot h eg o o dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fs is u b s t r a t e 3 t h ei d e a l i t yf a c t o ro fg a n l e do ns is u b s t r a t ew a sf i r s t l yr e p o r t e d s t u d y i n gt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ei - vc h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n ts a m p l e sa n dt h e i rc r y s t a lp r o p e r t y , w h i c h c a l lb ed e c i d e db yt h ef u l l w i d t ha th a l f - m a x i m u m ( f w h m 、o ft h e r o c k i n gc u r v ef o r s j 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 g a n ( 10 2 ) d o u b l ec r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o np e a k ，w ec a l lf o u n dt h a tt h e r ei sd i r e c tr e l a t i o n b e t w e e nt h ei d e a l i t yf a c t o ra n dt h ec r y s t a lp r o p e r t y ：t h ei d e a l i t yf a c t o r sf o rd i f f e r e n ts a m p l e s i s6 6 ，4 5 ，3 0 r e s p e c t i v e l y ，w h i c hi sc o r r e s p o n d i n gt ot h ef w h mo fe a c hs a m p l e ：7 0 7 ， 5 3 0 ，4 0 1a r c s e c w ec o n t r i b u t e dt h ea n o m a l o u s l yh i g hi d e a l i t yf a c t o r s ( n 2 0 ) t ot h eh i g h d e f e c td e n s i t y ，w h i c hm a k et u n n e l i n gc u r r e n tt a k ep l a c em o r ee a s i l y t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a n o n a l8 6 3n a n o m e t e rp r o j e c t ( n o 2 0 0 3 a a 3 0 216 0 ) a n d e l e c t r o nd e v e l o p m e n tf u n di nc h i n a 。 l i uw e i h u a ( m a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s l r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i a n gf e n g y i k e y w o r d sg a n ；s is u b s t r a t e ；l e d ；j u n c t i o nt e m p e r a t u r e ：i d e a l i t yf a c t o r i i i 附件一： 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。據(jù)我所 知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果， 也不包含為獲得南昌太學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同 志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。 學(xué)位論文作者躲糾衛(wèi)年簽字吼坷年少月夕日 、學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解 壹量叁堂 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國(guó) 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)南昌大學(xué)可以 將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段 保存、匯編學(xué)位論文。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書(shū)) 學(xué)位論文作者簽名：1 衛(wèi)孑 導(dǎo)師簽名 簽字日期：硝年巧月f 7 日 | 學(xué)位論文作者畢業(yè)后去向 工作單位： 通訊地址： 勤鵲 簽字日期：加拆鋤日 電話 郵編 si 襯底l a a l , l 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 1 1前言 第一章綜述 族氮化物半導(dǎo)體由于其廣泛的商業(yè)應(yīng)用使其成為全球研究的熱點(diǎn)。在短短的幾 年內(nèi)，高亮度的藍(lán)光、綠光發(fā)光二極管( l e d s ) ，高頻場(chǎng)效應(yīng)管，紫外和藍(lán)色激光器二極 管( l d s ) 都已成為可能。在1 9 8 9 年之前，很少人對(duì)i i i 族氮化物材料體系( a 1 g a i n n ) 進(jìn)行研究，這主要原因一是p 型g a n 難以獲得，二是i 1 型g a i n 的缺陷密度太高( 由于 沒(méi)有合適的襯底材料) 。沒(méi)有p 型g a n 材料，也就不能制備藍(lán)色發(fā)光二極管( l e d s ) 、 藍(lán)色激光n ：- - 極管( l d s ) 和u v 探測(cè)器。1 9 8 9 年，a m a n o 等人首次得到p 型g a n ，并 制備出了第一支p n 結(jié)l e d “，1 9 9 2 年，s n a k a m u r a 2 1 宣布制作出他的第一支藍(lán)色l e d s ， 這就使g a i n 成為上世紀(jì)9 0 年代研究的熱點(diǎn)。藍(lán)色l d s 也很快研制成功。族氮化物 生長(zhǎng)工藝的改進(jìn)使其材料生長(zhǎng)及器件制備迅速進(jìn)入了規(guī)?；a(chǎn)。 從第一支p n 結(jié)l e d 的研發(fā)到第一支連續(xù)波激光器二極管的生產(chǎn)不到十年的時(shí)間， 雖然g a n 器件與市場(chǎng)發(fā)展迅速，但g a n 材料中還存在較多的問(wèn)題：如發(fā)光機(jī)制、如何 提高發(fā)光效率、高的缺陷濃度及襯底的選擇等。 1 1 1g a n 材料的發(fā)展 g a n 材料最早由j o h n s o n 等【3 】人于1 9 2 8 年用n h 3 和金屬g a 合成的g a n 粉末。此 后幾十年又有人陸續(xù)合成g a n ，并對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)和光譜進(jìn)行了研究【4 ，5 。g a n 單晶材料最早由p a n k o v e 的兩個(gè)助手m a r u k a 和t i e t j e n 用h v p e 方法在藍(lán)寶石襯底上生 長(zhǎng)的舊。但由于藍(lán)寶石襯底與g a n 之間巨大的晶格失配和熱失配，g a n 外延膜通常處 于高應(yīng)力狀態(tài)下，這會(huì)使g a n 外延膜龜裂嚴(yán)重。隨后他們對(duì)g a l l 材料進(jìn)行摻雜與光學(xué) 性能的研究，并制備出第一支m i s 結(jié)構(gòu)的藍(lán)色發(fā)光二極管r ”。他們的成功激起了人們對(duì) g a n 材料研究的極大興趣，但由于當(dāng)時(shí)生長(zhǎng)技術(shù)的限制，制備的材料質(zhì)量很差( 高的n 型背景載流子濃度) ，主要是沒(méi)能實(shí)現(xiàn)g a n 的p 型化，阻擋了g a n 器件化的進(jìn)程，所 以大家逐漸對(duì)g a n 失去了興趣。在上世紀(jì)八十年代只有極少數(shù)的研究組還在對(duì)它進(jìn)行 研究。 上世紀(jì)八十年代末，由于a k a s a k i 峭的努力，g a n 的研究取得了突破性的進(jìn)展。他 s j 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 意識(shí)到g a n 的p 型化與g a n 的質(zhì)量有很大的關(guān)系，要降低n 型背景載流子濃度，及得 到無(wú)龜裂的表面。為了克服藍(lán)寶石襯底與g a n 之間的晶格失配，他發(fā)明了低溫緩沖層 技術(shù)，在5 0 0 。c 左右在藍(lán)寶石襯底上沉積一層約3 0 n m 厚的a 1 n 緩沖層，使生長(zhǎng)在藍(lán)寶 石襯底上g a n 單晶質(zhì)量大大提高，表面無(wú)龜裂，背景載流子濃度下降，載流子遷移率 提高，發(fā)光性能也大大改善。a k a s a k i 非常成功得獲得了p 型g a n 材料，這重新引起了 人們對(duì)p 型g a n 研究的興趣。a k a s a k i 和a n l a n o 用m o v p e 方法對(duì)g a n 進(jìn)行摻m g ， 并用低能電子束輻照( l e e b i ) ，發(fā)現(xiàn)g a n ：m g 實(shí)現(xiàn)了p 型電導(dǎo)。接著a m a n o 制備出世 界上第一支g a n 基p n 結(jié)發(fā)光二極管【9 。接著，日亞公司的n a k a m u r a 改用g a n 作緩沖 層，他獲得了如鏡面的表面和更優(yōu)越的電學(xué)性能 1 0 j ，并制各出了他的第一支g a n 藍(lán)色 l e d l l l 】。接下來(lái)，n a k a m u r a 在氮化物研究領(lǐng)域一路豐收，1 9 9 2 年，在n 2 氣氛下對(duì)摻 m g 的g a n 膜進(jìn)行退火處理，獲得了很好的p 型g a n 材料 1 翔。同年又在g a n 單晶膜上 生長(zhǎng)出高質(zhì)量的i n g a n 1 3 1 。1 9 9 3 年制作出亮度超過(guò)1 0 0 0 m c d ，以i n g a n 為有源層的雙 異質(zhì)結(jié)的藍(lán)色l e d s 。到2 0 0 1 年，日亞公司的藍(lán)色l e d s 輸出功率超過(guò)6 r n w ( i f = 2 0 m a ) ， 亮度超過(guò)3 c d 。1 9 9 5 年，n a k a m u r a 通過(guò)控制i n g a n 中的i n 組份，獲得了發(fā)光波長(zhǎng)從5 0 0 n m 到5 9 0 n m 的藍(lán)綠，純綠和黃綠l e d s ，其中綠光l e d s 亮度達(dá)1 2 c d 。利用藍(lán)色發(fā)光芯片 涂覆黃色熒光粉技術(shù)，得到了白光l e d s 1 4 。2 0 0 2 年，l u m i l e d s 宣布其獲得了5 w1 2 0 1 m 的白光光源。最近有傳聞?wù)fc r e e 的白光l e d s 達(dá)7 4 1 m w 。 g a n 因其為寬禁帶半導(dǎo)體，在制作短波長(zhǎng)器件方面有廣泛的應(yīng)用。在發(fā)展藍(lán)色發(fā)光 器件的同時(shí)，大家對(duì)紫色和近紫外g a n 基發(fā)光器件進(jìn)行了大量的研究。1 9 9 3 年， n a k a m u r a 用摻s i 的i n g a n 用作有源層，制作出雙異結(jié)紫色發(fā)光二極管，發(fā)光波長(zhǎng)為 4 2 5 n m ，量子效率為0 1 5 。1 9 9 5 年，他用i n g a n a i g a n 雙異質(zhì)結(jié)，把紫色發(fā)光二極管 的量子效率提高到9 2 ，光功率達(dá)5 6 r o w 。 除日亞外，還有很多研究組對(duì)u v l e d s 進(jìn)行了研究。1 9 9 7 年，p h i l i p s 公司的 p m m e n s z 【i 副報(bào)道了3 8 5 n m 和4 1 2 n m 的u vl e d ，光功率為1 5 m w 。用6 h s i c 襯底制 備的u vl e d s 也表現(xiàn)了良好的光電性能，2 0 0 1 年，c r e e 的s i c 襯底u(yù) vl e d s 商品光 功率為1 2 m w ，而根據(jù)最近的報(bào)道，其u v l e d 功率已達(dá)2 1 m w 。s a n d i a 的j h a n 則用 a i g a n g a n 多量子阱結(jié)構(gòu)制造出3 5 3 6 n m 的u vl e d 【16 。h h i r a y a m a 在6 h s i c 襯底上 用a l o h g a o8 9 n a l o2 4 g a o7 6 n 多量子阱結(jié)構(gòu)制備出了一種更短波長(zhǎng)的紫外發(fā)光二極管，發(fā) 光波長(zhǎng)為3 3 0 n m ”】。 s i 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件| 生能研究 氮化物的研究之所以吸引全世界眾多單位的關(guān)注，一個(gè)重要的原因是在于它們能夠 用于制造藍(lán)光甚至更短波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。所以自從藍(lán)光l e d 研制成功后，許多公 司和研究組都投入大量的資金進(jìn)行g(shù) a n 基半導(dǎo)體激光器的研究。1 9 9 5 年，n a k a m u r a 率 先研制出第一支電注入i n g a n 多量子阱紫色激光器。1 9 9 8 年，日亞的紫色激光器室溫 工作壽命超過(guò)1 0 ，0 0 0 小時(shí)，達(dá)到商業(yè)化水平。2 0 0 0 年，他們又研制出4 5 0 r i m 的藍(lán)色激 光器。2 0 0 1 年6 月，日亞宣布他們開(kāi)始量產(chǎn)3 0 r o w 的紫光l d ，這將取代現(xiàn)有的紅光 l d 作為下一代d v d 光盤的光源。1 9 9 9 年，f u j i t s u 紫色激光器室溫l m w 工作壽命達(dá) 5 7 小時(shí)。2 0 0 0 年3 月s o n y 的紫色激光器5 m w 工作壽命超過(guò)1 0 0 0 小時(shí)。 在探測(cè)器和高溫大功率電子器件領(lǐng)域，近年來(lái)也取得了很大的進(jìn)展，1 9 9 1 年，k h a n 就研制出了商品化的g a n 基紫外探測(cè)器 1 8 】。1 9 9 3 年，k h a n 等人研制成功g a n 基 m e s f e t 1 9 】。1 9 9 6 年，w u 等人又報(bào)道了了調(diào)制摻雜f e t 2 0 。在高頻器件方面，也取得 了一些進(jìn)展，已報(bào)導(dǎo)的有h e m t l 2 1 】和h f e t 2 2 1 。 1 1 2 g a n 發(fā)光器件的的應(yīng)用 藍(lán)色l d s 和l e d s 具有巨大的商業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)，氮化物器件的最大市場(chǎng)是照明( 替代 白熾燈和日光燈) 、顯示( l e d 在廣告牌和投影電視方面的應(yīng)用) 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)( 4 7 g b d v d h i ) ) 。 1 1 2 1l e d s 目前氮化物器件的最大市場(chǎng)是用于大面積顯示、交通信號(hào)燈和室內(nèi)照明的藍(lán)色、綠 色和白色l e d 。目亞公司在1 9 9 5 年以來(lái)就開(kāi)拓了藍(lán)色l e d 在戶外顯示的市場(chǎng)。這些藍(lán) s i 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 色l e d 與綠色、紅色l e d 三基色實(shí)現(xiàn)全色顯示。這三種顏色的l e d s 用來(lái)匹配人眼的 靈敏度。人眼的視網(wǎng)膜上有三種接受視錐體，這些視錐體對(duì)顏色起探測(cè)器的作用，每種 2 o 羞 囂 p 0 蠹 5 朝07 瑚a l 艫札n “ 圖1 人眼中三種不同接受視錐體對(duì)光譜的靈敏度 視錐體對(duì)光的響應(yīng)不同，如圖l 所示。 使用l e d ，投影電視的顯色指數(shù)可顯著提高。價(jià)廉的藍(lán)色l e d 的使用，使大面積 l e d 廣告牌成為現(xiàn)在非常流行一種廣告形式。l e d 由于其耗電量低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)現(xiàn) 在的交通信號(hào)燈基本用紅、綠、黃u m 替代了傳統(tǒng)的白熾燈泡。 藍(lán)色l e d 的另一個(gè)應(yīng)用是在家庭和商業(yè)照明方面替代低效的白熾燈和目光燈。目 光燈照明雖然效率比白熾燈高許多，但由于其發(fā)出的光閃爍和色調(diào)不柔和，在許多家庭 中不受歡迎。而用紅、綠、藍(lán)三基色l e d 組合，可以獲得更有效、更令人滿意的光源。 一種方法是把熒光粉涂覆在i n g a n 基l e d 上，熒光粉受激發(fā)射出更長(zhǎng)的波長(zhǎng)與l e d 本 身發(fā)出的光復(fù)合成白光，使用這種技術(shù)已獲得效率高達(dá)7 4 1 r r d w 的光源。 1 1 2 2 激光器二極管( l d s ) 雖然l e d 市場(chǎng)是i i i 族氮化物市場(chǎng)的主體，但是許多應(yīng)用需要特殊的器件特征，如： 高的電光轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定光輸出、高輸出功率和窄的發(fā)光光譜，能滿足這些要求那就只 有激光器二極管( l d s ) 。這些包括醫(yī)療、高檔d v d 播放器、基因重組、投影顯示、激 光打印機(jī)和生化反應(yīng)傳感和激活作用。 4 s i 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 對(duì)于不同的應(yīng)用，對(duì)l d 的波長(zhǎng)和輸出功率的要求有點(diǎn)不同。投影顯示需要人眼敏 感的特定的顏色是高輸出功率，如需波長(zhǎng)為4 5 0 r i m 功率達(dá)2 0 0 m w 的l d 。生化反應(yīng)傳 感需要波長(zhǎng)為4 7 0 4 9 0 n m 的l d ，這種波長(zhǎng)相對(duì)長(zhǎng)一點(diǎn)的l d ，目前用m o c v d 方法還 沒(méi)獲得。 目前i i i 族氮化物l d 用的多的領(lǐng)域是高質(zhì)量的激光打印機(jī)和新一代的d v d 播放器 f 現(xiàn)已命名為d v d i - m ) 。這兩種應(yīng)用都需要連續(xù)穩(wěn)定的光源，這樣光就能聚焦為一個(gè)很 小的衍射斑點(diǎn)。衍射斑點(diǎn)面積的大小與波長(zhǎng)的平方成正比。c d 播放器中用的是波長(zhǎng)為 8 6 0 r i m 的a 1 g a l n a sl d 。d v d 播放器用的是6 5 0 n m 的紅色l d ，它把波長(zhǎng)降低1 3 倍， 也即斑點(diǎn)面積的大小降低1 3 2 ( - 1 7 ) 倍。用4 1 0 r i m 的i n g a n 基l d ，其斑點(diǎn)面積大小可 以縮小4 倍。斑點(diǎn)面積越小，同一大小的光盤上就可以存儲(chǔ)更多的信息。對(duì)于激光打印 機(jī)，光斑面積越小，打印機(jī)的清晰度越高。 1 2 g a n 的基本結(jié)構(gòu) 圖2 g a n 纖鋅礦結(jié)構(gòu) 圖3g a n 纖鋅礦型原子密排方式 i 蝴| 臺(tái) b 日 1 j s j 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 g a n 及其化合物可能具有的結(jié)構(gòu)有六方對(duì)稱性的纖鋅礦結(jié)構(gòu)、n a c l 結(jié)構(gòu)和立方對(duì) 稱的閃鋅礦結(jié)構(gòu)。g a n 及其化合物晶體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是具有六方對(duì)稱性的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，基 本參數(shù)見(jiàn)表1 。纖鋅礦結(jié)構(gòu)是由六角單胞組成，因而具有兩個(gè)晶格常數(shù)a 和c ，如圖 2 所示。每個(gè)單胞由兩套沿c 軸方向錯(cuò)位( 3 8c ) 的六角密堆積( h c p ) 的子晶格構(gòu)成， 圖4g a n 閃鋅礦結(jié)構(gòu)圖5g a n 閃鋅礦型原子密排方式 。一g a - - n 每個(gè)子晶格由一種原子組成，即( h 和n 雙原子面沿 0 0 0 h 方向交替堆垛而成，如圖3 所 示。閃鋅礦結(jié)構(gòu)由立方單胞構(gòu)成，單胞中的原子位置與金剛石晶體結(jié)構(gòu)相似，這兩種結(jié) 構(gòu)的單胞都是由沿體對(duì)角線方向錯(cuò)位l 4 體對(duì)角線距離的兩個(gè)面心立方子晶格鑲嵌而 成，如圖4 所示，它們的密排面是( 1 1 1 ) 面，每個(gè)密排面由g a 和n 雙原子面構(gòu)成，如圖5 所示。閃鋅礦結(jié)構(gòu)與纖鋅礦結(jié)構(gòu)相似，在這兩種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)i i i 族原子連接四個(gè)n 原 子，同樣，每個(gè)n 原子與四個(gè)i i i 族原子相連接。這兩種結(jié)構(gòu)的最大不同是原子層的堆 積順序不同。 對(duì)閃鋅礦結(jié)構(gòu)，沿 1 1 1 1 方向原子堆捌頃序?yàn)椋篻 a a n 。g 啦k g a 毋k g a 。n 魄蚰g a 毋k 對(duì)纖鋅礦結(jié)構(gòu)，沿 0 0 0 1 方向原子堆積順序?yàn)椋篻 a 抖、g a 日g a 齜啡桷、n i g 礬 n a c l 結(jié)構(gòu)是氮化物在高壓下的存在相，g a n 從纖鋅礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變n a c i 結(jié)構(gòu)的壓力約 為5 0 g p a 【23 1 ，a 1 n 的食鹽相被預(yù)言在1 2g p a 2 4 或2 3g p a 2 5 1 時(shí)出現(xiàn)，并被u e n o 等人觀 察到。 纖鋅礦結(jié)構(gòu)的g a n 生長(zhǎng)方向一般在 0 0 0 1 基面，在那里原子被排列在由兩個(gè)很接 近的六角形層構(gòu)成的雙層內(nèi)，一層由陽(yáng)離子占據(jù)，另一層由陰離子構(gòu)成，因此雙層具有 兩個(gè)極性面。極性面只是體效應(yīng)的結(jié)果，和最外層是什么原子并無(wú)關(guān)系。這樣g a n 的 基面可能由g a 占據(jù)，也可能由n 占據(jù)。g a 極性原子面通常光亮如鏡，相反，n 極性面 卻很粗糙。這是由于不同的極性面具有不同的化學(xué)特性。這種不同的化學(xué)特性還使它們 c 8 c 魯 s i 襯底g a n 基藍(lán)光l e d 器件性能研究 具有不同的表面重構(gòu)，甚至影響它們的摻雜，發(fā)光等行為。 表1 13 0 0 k g a n 的基本參數(shù) 纖鋅礦結(jié)構(gòu) 閃鋅礦結(jié)構(gòu) 對(duì)稱群 c 6 v 4 p 6 3 m c t d 2 - f 4 3 m 1 c m 3 中的原子數(shù) 8 9 x l o “ 8 9 x l o “ 德拜溫度 密度( g c m 。3 ) 靜態(tài)的介電常數(shù) 高頻的介電常數(shù) 有效電子質(zhì)量( m o 為單位) 有效空穴質(zhì)量( m o 為單位) 重空穴 輕空穴 能帶帶劈裂 電子親和勢(shì)e v 晶格常數(shù)r i m 光學(xué)光子能量m e v 莆隙斕 導(dǎo)帶有效態(tài)密度c m 。3 價(jià)帶有效態(tài)密度c m 。 擊穿電場(chǎng)似c m _ 1 ) 電子遷移率( c m 2 v s 1 ) 空穴遷移率( c m 2 v s 1 ) 電子擴(kuò)散系數(shù)( c m 2 v - i s 1 ) 空穴擴(kuò)散系數(shù)( c m 2 v s 1 ) 電子熱速度( m s 。1 ) 空穴熱速度( m s “) 輻射復(fù)合系數(shù)( c m 3 ，s 。1 ) 6 0 0 6 1 5 8 9 5 _ 3 5 o 2 0 1 4 o 3 0 6 4 1 a = 0 3 1 8 9 c = 0 5 1 8 6 9 1 2 3 3 9 2 3 1 0 1 8 4 6 x 1 0 博 n 5 1 0 0 1 0 0 0 1 丑0 0 2 5 2 6 x 1 0 9 4 1 0 4 1 0 8 9 3 2 1 0 5 9 5 1 0 4 6 0 0 6 1 5 9 7 5 _ 3 0 1 3 1 3 o 2 o 3 4 1 0 4 5 2 8 7 3 3 2 1 2 x 1 0 1 8 4 1 1 0 t 9 5 1 0 6 1 0 0 0 _ 1 ，上式可以簡(jiǎn)化為 0 = 1 0e x p ( q n k t ) ( 2 ) l e d 工作時(shí)的額定電流往往達(dá)到十幾m a 甚至幾百m a ( 功率型) ，在這種情況下， 歐姆接觸引起的壓降也不能忽略，因此上式變?yōu)?：塑l n 車) + 尺。k ( 3 ) q o0 其中r s 是l e d 的內(nèi)阻。 在恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)，溫度升高對(duì)電壓的影響主要由上式右邊第一項(xiàng)決定，內(nèi)部電阻變化 產(chǎn)生的電壓變化可以忽略。在第一項(xiàng)中，反向飽和電流隨溫度升高增加速度很快，是導(dǎo) 致輸入電壓隨溫度升高降低的主要原因。 3 3 實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)用的g a n 基l e d 為本研究組在s i ( 1 1 1 ) 襯底上m o c v d 外延生長(zhǎng)的i n g a n g a n 多量子阱藍(lán)光l e d 結(jié)構(gòu)，其生長(zhǎng)方法已有報(bào)道同，采用巾5 封裝。發(fā)光二極管的 結(jié)溫采用電壓降法來(lái)測(cè)量，測(cè)試由二個(gè)部分組成。一是電壓溫度系數(shù)的測(cè)量，二是結(jié)溫 的計(jì)算。 3 3 1 電壓溫度系數(shù)的測(cè)量 測(cè)量電壓溫度系數(shù)常采用脈沖電流消除熱效應(yīng)的方法腳。本文采用微小電流恒流源 的方法而不是脈沖電流來(lái)消除熱效應(yīng)測(cè)量電壓溫度系數(shù)，如圖2 所示。恒溫箱溫度在 3 0 l o o 可控，電壓表精度為l m v ，恒流源精度為0 1 心。對(duì)于固定的器件散熱結(jié)構(gòu) 和電器連接，芯片到環(huán)境的熱阻是恒定的，這樣，在輸入功率恒定的情況下，可以近似 ! i 撾塞g 型基醢迸l 嬰囂鮭蛙自l 壁窒 認(rèn)為環(huán)境溫度的改變量等于管芯溫度的改變值i _ ”。調(diào)節(jié)不同的恒溫箱溫度( 環(huán)境溫度) 值，在每個(gè)溫度恒定半小時(shí)以上，使結(jié)溫與恒溫箱溫度達(dá)到相同( 前提是消除了l e d 本身的熱效應(yīng)) ，記錄此時(shí)恒流條件下此溫度對(duì)應(yīng)電壓值；然后依次調(diào)節(jié)恒溫箱溫度， 3 0 。c 、4 0 。c 、5 0 。c 、6 0 。c 、7 0 、8 0o c 干n9 0 ，分別記錄此時(shí)l e d 的正向電壓值，其 結(jié)電壓與恒溫箱溫度關(guān)系如圖3 所示：( a ) s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 的正向電壓與恒溫箱 溫度的關(guān)系，( b ) 是藍(lán)寶石襯底g a n 藍(lán)光l e d 的正向電壓與恒溫箱溫度的關(guān)系，( c ) s i c 襯底g a n 藍(lán)光l e d ( d ) 某日本公司的藍(lán)寶石襯底g a n 藍(lán)光l e d 。 恒溫箱 圖2 本實(shí)驗(yàn)裝置輸入電壓隨溫度的變化系數(shù)測(cè)試原理圖 在輸入電流恒定的情況下，許多半導(dǎo)體器件的結(jié)電壓與溫度具有良好的線性關(guān)系【引。 在輸入電流恒定的情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，l e d 兩端輸入電壓值單調(diào)減小，二者 可以近似用下式表示： = a + b ( t t o ) ( 4 ) 其中v f t 是環(huán)境溫度為t 時(shí)l e d 兩端的正向電壓，a 是環(huán)境溫度為t 0 時(shí)l e d 兩端 的正向電壓v f 0 ，b 是電壓隨溫度變化系數(shù)。 l 撾廈趔垂壅連業(yè)器鮭性能塹窟 卯m c n 伯叩e 嘣u(píng) et o ( ) 帕力茁 o 目打唧e w ) ( a ) 本實(shí)驗(yàn)室研制的s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d ( b ) 本實(shí)驗(yàn)室研制的藍(lán)寶石村底g a n 藍(lán)光l e d r 、_ 、 二3 3 0口5 0日0t 口5 00 0 o v e n t e m p e r a t u r et o c cl 40 5 0 7 d 0 t e m p e r a t u r e t o t el ( c ) 市場(chǎng)買來(lái)的s i c 襯底g a n 藍(lán)光l e d ( d ) 市場(chǎng)買來(lái)的某日本公司的藍(lán)寶石村底g a n 藍(lán)光l e d 圖3 不同襯底上g a n 藍(lán)光l e d 正向電壓與恒溫箱溫度的關(guān)系 3 , 3 2 結(jié)溫的計(jì)算 在l e d 充電瞬間，p - n 結(jié)的熱效應(yīng)很少，此時(shí)記錄其結(jié)電壓值v f o jl e d 恒流一 段時(shí)間后，使其結(jié)電壓達(dá)到穩(wěn)定，再記錄其值v f t 。數(shù)據(jù)如表4 所示。 jo要2 p j g c o l 一)功霉石鼉口蘭。止 妻8922l ，ooggelu i 撾庭魚(yú)m 差藍(lán)迸l 嬰器鮭性能塹窒 表4 不同電流密度條件下充電瞬間與恒定時(shí)結(jié)電壓值 、 1 9 33 8 65 7 97 7 29 6 5 ( a e r a 。) ( a c m 2 ) ( a c m z )( a c m 2 )( a c m 2 ) b l u eg a nl e d s i v f o 3 1 7 7 3 4 0 63 5 9 2 3 7 6 5 3 9 1 5 v f t 3 1 6 03 3 6 43 5 3 03 6 8 2 3 8 2 5 b l u eg a n l e d a 1 2 0 3v f 0 3 0 6 73 3 1 03 5 0 73 7 0 53 8 6 2 v 丌 3 0 3 93 2 3 93 4 0 83 5 6 8 3 6 9 5 將表中數(shù)據(jù)代入下式，便可得到結(jié)溫t j ： t j 卻掣 其中v f 0 為充電瞬間電壓值，v f t 為結(jié)溫與環(huán)境溫度達(dá)到平衡時(shí)電壓值 t o 為環(huán)境溫度，b 為電壓溫度敏感系數(shù) 器 耋： 芒2 4 l 殺 ) 1 2 - ； 一j i一 2 0 - 1 8 - 1 6 j 一誚一j j 再 246 ，l 七 懈m , - 1 6 1 2 - 一 山 圖4 ：本實(shí)驗(yàn)室研制的s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 的i _ v 曲線 3 4 結(jié)果與討論 圖4 為s i 襯底g a n 藍(lán)光l e d 的i v 曲線，2 0 m a 時(shí)正向電壓為3 6 v ，1 0 t - 1 a 反向 電壓為1 5 v ，在5 v 反向電壓時(shí)，反向漏電流小于0 1 t t a 墨i 撾庭壘垡基藍(lán)盤l 盹噩鮭性能班盔一 已7 0 ， 坐 皇6 0 g 5 0 旦 暑4 0 1 0 2 0 3 f l4 05 06 07 0 8 d 1 0 0 d cf o r w ) r dc u r r e n td e n s i t yt ( a c r n 2 ) 圖5 不同襯底上g a n 藍(lán)光l e d 結(jié)溫與電流密度關(guān)系 圖3 為正向電壓與恒溫箱溫度的關(guān)系，可以看出在微小恒定電流下，電壓與溫度都 呈很好的線形關(guān)系。電流從2 0 心到1 0 0 9 a ，其斜率( 電壓溫度系數(shù)) 幾乎完全相等， 為3 o m v k 。在文獻(xiàn) 2 1 a ，選用大的占空比( 1 ：1 0 0 0 ) 脈沖電源消除熱效應(yīng)時(shí)，在電流 1 0 一l o o m a ，其電壓隨溫度敏感系數(shù)也都不變。由此可以看出，我們選用微安級(jí)電流也 能夠很好地消除p - n 結(jié)自身熱效應(yīng)。而且恒流電源比脈沖電源( 占空比為1 ：1 0 0 0 ) 結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單，更方便測(cè)量l e d 的電壓溫度系數(shù)。測(cè)結(jié)溫時(shí)，以充電瞬間l e d 正向電壓值作 為初始值v f o ( 我們認(rèn)為充電瞬間其熱效應(yīng)可以忽略不計(jì)) ，持續(xù)充電一段時(shí)間結(jié)溫達(dá)到 穩(wěn)定后，再記錄其電壓值v f r ，表一為v f o 和v f r 的關(guān)系。由表一的數(shù)據(jù)和公式( 5 ) 即可 計(jì)算出l e d 的結(jié)溫，見(jiàn)圖5 所示。該圖為不同襯底上結(jié)溫與電流密度的關(guān)系。文獻(xiàn)中 2 1 1 9 1 測(cè)量結(jié)溫，均是測(cè)量正向電流與結(jié)溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系。我們認(rèn)為，用電流密度更能直接反映 結(jié)溫，不同廠家生產(chǎn)的l e d 芯片的面積不一樣，同樣的電流，芯片面積不同，其電流 密度不一樣。為使比較更具合理性，我們?cè)谕入娏髅芏葪l件下，比較s i 襯底與藍(lán)寶石 襯底g a n 藍(lán)光l e d 的結(jié)溫，從圖5 中可以看出：在同樣電流密度條件下，s i 襯底l e d 結(jié)溫要低于藍(lán)寶石襯底l e d ：隨著電流密度的增加，s i 襯底g a i n 藍(lán)光l e d 結(jié)溫的上升 速度小于藍(lán)寶石襯底g a n 藍(lán)光l e d ，這在大電流密度時(shí)更明顯。我們認(rèn)為其原因主要 是s i 襯底有更好的導(dǎo)熱性。藍(lán)寶石熱導(dǎo)率為0 4 6 w c m k ，s i 為1 5 w c m k ，s i 的熱導(dǎo) 率為藍(lán)寶石的3 倍，所以有更好的散熱性。本文關(guān)于硅襯底l e d 在大電流密度下結(jié)溫 仍然較低的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用s i 作g a n 藍(lán)光l e d 的襯底在大功率l e d 方面具有更大 一撲 廣 磊 一 贏 一7 一 o 1 凸 一 r 卜 e ， 一 u ， r n 一 一 a r r 1 g 一 一 e ， 一 u ， 一 的應(yīng)用潛力。 3 5 結(jié)論 報(bào)道了s i 襯底上g a n 基l e d 的結(jié)溫特性，指出了用電流密度而不是用電流來(lái)反 映與l e d 結(jié)溫的關(guān)系。通過(guò)與藍(lán)寶石襯底上g a n 藍(lán)光l e d 的結(jié)溫比較，發(fā)現(xiàn)s i 襯底 g a i n 藍(lán)光l e d 有更低的結(jié)溫，n n n n ns i 有更好的導(dǎo)熱性。 參考文獻(xiàn) 1 - 馮士維，謝雪松，呂長(zhǎng)治等，半導(dǎo)體器件熱特性的電學(xué)法測(cè)量與分析，半導(dǎo)體學(xué)報(bào)1 9 9 9 ，2 0 ( 5 ) ：3 5 8 3 6 4 f 。n gs h i “e i ，x i ex u e s o n g ，l uc h a n g z h i ，e ta 1 c h i n e s ej o u r n a lo fs e m i c o n d u c l o r s ，1 9 9 9 ，2 0 ( 5 ) ：3 5 8 3 6 4 2 y x ia n de f s c h u b e r t , j u n c t i o r 卜t e r o p e r a t u r em e a s l j , r e m e n ti ng a n u l t r a v i o l e tl i g h t - e l n i t c i n gd j o d e s 凇j n g d i o d ef o r w a r dv o l t a g e m e t h o d a p p l p h y s l e t t 8 5 2 1 6 3 ( 2 0 0 4 ) 3 y _ x t h g e s s m a r i l l ，j - q x j ，j k k i m ，j m s h a h ，e f s c h u b e r t , a j f j s c h e m h c r a w f o r d k ha b o g a r t , a n d a a a l l e r m a n ，s u b m i t t e dt o 伽，a p p l , p h y s ( 2 0 0 5 ) 4 y x i , j 。q x i ，t h g e s s m a n n ，j m s h a h ，j k k i m ，e f s c h u b e r t , a j f i s c h e r ，m h c r a v 臨r d k h a - b o g