發(fā)光機(jī)制分析課件

低溫下GaN基LED發(fā)光機(jī)制分析低溫下GaN基LED發(fā)光機(jī)制分析LED的發(fā)展在20世紀(jì)最后十年間，半導(dǎo)體相關(guān)的材料技術(shù)、微芯片技術(shù)的快速發(fā)展使得LED照明技術(shù)的性能得到了大幅度的提升，在1994年日本科學(xué)家中村秀二通過(guò)在GaN基片上研發(fā)了一款藍(lán)光半導(dǎo)體，這使得GaN技術(shù)在LED領(lǐng)域的應(yīng)用走入了一個(gè)高點(diǎn)，GaN基端的LED產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)高亮度、全色彩的發(fā)光需求。2014年4月1日在墨西哥，前貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員，GaNgleOptronixLtd首席技術(shù)官、博士Hyam基德，在加勒比海“設(shè)備，電路，和系統(tǒng)(ICCDCS2014)IEEE國(guó)際會(huì)議”上，宣讀了一篇關(guān)于新型LED生產(chǎn)線的論文，發(fā)布了白光功率LED發(fā)光效率達(dá)到300lm/W?？梢?jiàn)，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正向更高光效、更低成本、更多種類和更廣泛應(yīng)用方向發(fā)展。LED的發(fā)展在20世紀(jì)最后十年間，半導(dǎo)體相關(guān)的材料技術(shù)、微芯LED相關(guān)理論發(fā)光二極管原理半導(dǎo)體二極管發(fā)光器件的主要組成結(jié)構(gòu)是P-N結(jié)，是通過(guò)兩端的電子注入而進(jìn)行發(fā)光，半導(dǎo)體材料一般是采用帶隙材料，本課題研究的GaN就是屬于帶隙材料。

LED相關(guān)理論發(fā)光二極管原理LED效率LED的效率包含的范圍有量子效率、發(fā)光效率、光提取效率等。量子效率：量子效率是指LED在實(shí)際工作過(guò)程中，發(fā)光的電子由于內(nèi)部吸收和損耗而對(duì)理論的發(fā)光光子輸出量造成的影響。量子效率可以分為內(nèi)外兩種。內(nèi)量子效率

外量子效率發(fā)光效率：發(fā)光效率表示的是LED發(fā)光系統(tǒng)將吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為輸出光能的效率，計(jì)量單位是1m/W等等LED效率LED的效率包含的范圍有量子效率、發(fā)光效率、光提取InGaN/GaNMQWsLED的光學(xué)性質(zhì)的測(cè)試和分析光致發(fā)光測(cè)試：光致發(fā)光，牽涉到一個(gè)由電磁(Electro-Magnetic)輻射激發(fā)的系統(tǒng)，在分類上是屬于光學(xué)發(fā)光的技術(shù)。當(dāng)入射光(電磁輻射)照射在樣品上時(shí)，導(dǎo)致電子被升高至激發(fā)態(tài)，描繪如圖，典型的能帶躍遷過(guò)程。自從雷射可用來(lái)提供「足夠的功率激發(fā)適當(dāng)?shù)挠嵦?hào)」后，入射光典型地來(lái)自于雷射光源(能量)。當(dāng)激發(fā)態(tài)電子返回初始能態(tài)時(shí)，它會(huì)生一個(gè)光子(能量)，也可能產(chǎn)生許多的聲子(能量)。由量守恒，可將其表示為方程式（雷射光源）（光子）（聲子）InGaN/GaNMQWsLED的光學(xué)性質(zhì)的測(cè)試和分析光致發(fā)光可用來(lái)觀察較塊狀半導(dǎo)體復(fù)雜成份結(jié)構(gòu)的樣品。它可用來(lái)研究樣品成長(zhǎng)的好壞，及證實(shí)成長(zhǎng)的成份。這是因?yàn)榻栌晒庵掳l(fā)光量測(cè)變化可知雜質(zhì)與結(jié)構(gòu)上不同的能量差異。如能帶圖所示:(a),(b)光吸收過(guò)程與(c),(d)光致發(fā)光。圖(b)中指光吸收過(guò)程需要光子和聲子(x)。圖(c)和(d)呈現(xiàn)除了光子放射外(PL)，聲子的放射是會(huì)發(fā)生的(*)，因?yàn)楹凸饧ぐl(fā)的長(zhǎng)度有關(guān)，另外，對(duì)間接能隙(d)而言，聲子的放射(o)為了動(dòng)量守恒。光致發(fā)光可用來(lái)觀察較塊狀半導(dǎo)體復(fù)雜成份結(jié)構(gòu)的樣品。它可用來(lái)研時(shí)間分辨PL（TRPL）測(cè)試半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、摻雜離子、晶體質(zhì)量、缺陷狀態(tài)嚴(yán)重影響著載流子的復(fù)合過(guò)程。通過(guò)TRPL測(cè)試，可以得到樣品的載流子壽命，從而分析以上性質(zhì)對(duì)載流子復(fù)合過(guò)程的影響。TRPL測(cè)試系統(tǒng)采用的是時(shí)間關(guān)聯(lián)單光子計(jì)數(shù)方法（TimeCorrelatedsinglephotocounting，TCSPC）來(lái)測(cè)量載流子壽命。其原理是使用微弱脈沖光源激發(fā)樣品，同時(shí)記錄脈沖光源激發(fā)的初始時(shí)間，使熒光進(jìn)入單光子探測(cè)儀，每次脈沖激發(fā)記錄特定波長(zhǎng)的光子，將單熒光光子出現(xiàn)的時(shí)間和脈沖激發(fā)初始時(shí)間的間距記錄下來(lái)，多次計(jì)數(shù)，得出特定波長(zhǎng)熒光光子的時(shí)間分布，即為光強(qiáng)隨時(shí)間的衰減曲線。時(shí)間分辨PL（TRPL）測(cè)試半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、摻雜離子、InGaN/GaN多量子阱發(fā)光的機(jī)制如圖分別InGaN/GaN量子阱在未加極化電場(chǎng)，加上極化電場(chǎng)以及高載流子注入時(shí)的能到結(jié)構(gòu)對(duì)比圖，如（a）,（b）所示，加上電場(chǎng)后，有效禁帶寬度比未加時(shí)小，而（c）在大電流注入時(shí)，載流子屏蔽了部分的極化電場(chǎng)，使得量子阱的禁帶寬度變大，從而出現(xiàn)發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移的現(xiàn)象。從（b），（c）中我們可以看到，及極化場(chǎng)會(huì)使得電子空穴波函數(shù)分別往量子阱的兩側(cè)偏移，降低電子空穴的復(fù)合幾率，從而降低內(nèi)量子效率。InGaN/GaN多量子阱發(fā)光的機(jī)制如圖分別InGaN/Ga低溫下GaN基LED性能分析如圖所示，這是我們?cè)诘蜏?5K下測(cè)試的在不同的電流下的綠光光譜圖，隨移，但是藍(lán)移到一定的程度后又開(kāi)始紅移。且從中我們可以看出，在大電流下，其半波寬是明顯展寬的，特別是在500mA后光譜的形狀發(fā)生了明顯的改變，光譜的峰值波長(zhǎng)出出現(xiàn)了尖峰。低溫下GaN基LED性能分析如圖所示，這是我們?cè)诘蜏?5K下光效分析圖在圖中，我們通過(guò)測(cè)試從25K-300K中的光譜來(lái)分析droop效應(yīng)，上圖所示的是在350mA下不同溫度下的光譜。從上圖中，我們可以看到，隨著溫度的上升，光功率是整體下降的，而且還發(fā)生了略微的紅移，有一種整個(gè)光譜被壓縮的感覺(jué)。且從光譜峰值波段看，其有明顯變平的趨勢(shì)，且光譜的光滑度降低。光效分析圖在圖中，我們通過(guò)測(cè)試從25K-300K中的光譜來(lái)分外量子效率隨電流變化趨勢(shì)圖所表示的是在不同溫度下，外量子效率（EQE）隨電流變化的趨勢(shì)圖，在上圖中，我們可以看到，溫度越低，其EQE是越高的，且在溫度達(dá)到120K后這種趨勢(shì)更加明顯，在更低溫下雖然也有這樣的趨勢(shì)，但EQE曲線在小電流是的重合度較高，而且下降的電流點(diǎn)隨著溫度的升高上升了。特別地對(duì)于小電流時(shí)，隨著溫度的上升，其EQE的上升斜率變大了，在25K時(shí)，EQE在小電流時(shí)已經(jīng)變成了一條直線。外量子效率隨電流變化趨勢(shì)圖所表示的是在不同溫度下，外量子效率實(shí)驗(yàn)解釋我們討論的重點(diǎn)是對(duì)于大電流下EQE下降，從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，先從圖3上看，在低溫小電流下，其EQE是平的，通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，我們知道在低溫小電流下，局域態(tài)的影響非常大，所以在小電流下，其局域態(tài)對(duì)發(fā)光復(fù)合起的主要作用，但同時(shí)隨著電流的逐漸增大，解局域態(tài)是越來(lái)越明顯的，所以即使在低溫下EQE也不會(huì)繼續(xù)上升而是持平，而隨著溫度上升，開(kāi)始了解局域態(tài)，所以EQE普遍下降。而對(duì)于后面的droop點(diǎn)而言，發(fā)生在30mA-70mA，此時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體而言，其發(fā)光機(jī)制應(yīng)該主要是以帶邊輻射為主的，所以此時(shí)應(yīng)該與量子阱中的束縛態(tài)相關(guān)，光效下降的原因有很多，但我們猜測(cè)引起其變化的主要原因是因?yàn)檩d流子的溢流，從圖2的光譜中我們可以看到，隨著溫度升高，在峰值波長(zhǎng)段，其光譜變得沒(méi)有低溫下這么平坦，我們猜測(cè)對(duì)于大電流而言，其能束縛在量子阱里面的電子數(shù)是有限的，所以在注入濃度達(dá)到一定的值后，更多的注入載流子并不能引起輻射復(fù)合的增加，反而導(dǎo)致了電流溢出的現(xiàn)象產(chǎn)生，溢出的電流直接從n區(qū)中跑到了p區(qū)，且從圖1中我們可以看見(jiàn)，不同電流下的半波寬是增加的。主要的原因是隨著電流注入的增大，量子阱中占據(jù)的態(tài)也相對(duì)變大，與此同時(shí)，費(fèi)米能級(jí)也上升了，所以在量子阱中占據(jù)的態(tài)也變多了，且逐漸向峰值波長(zhǎng)靠攏，所以展寬的部分基本就是由于費(fèi)米能級(jí)的變化而產(chǎn)生的。實(shí)驗(yàn)解釋我們討論的重點(diǎn)是對(duì)于大電流下EQE下降，從上面的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)解釋對(duì)于droop的電流點(diǎn)隨著溫度的上升逐漸變大，與我們解釋的droop原因相對(duì)的，也可以歸結(jié)為因?yàn)榱孔于逯惺`態(tài)的影響，因?yàn)槭`態(tài)的多少與溫度之間的原因也是密不可分的，隨著溫度的升高，束縛態(tài)的濃度對(duì)溫度的敏感程度變低，所以在溫度升高時(shí)，其量子阱中束縛態(tài)達(dá)到飽和的極限值時(shí)的注入電流反而變高了。此外，在圖1中，隨著電流增大，其光譜的峰值發(fā)生了藍(lán)移，對(duì)于此我們給出的解釋是因?yàn)樵陔娏髟龃蟮耐瑫r(shí)，電壓也變大了，所以導(dǎo)致了能帶也發(fā)生從了傾斜，隨著傾斜的程度越大，其發(fā)生輻射復(fù)合的能帶中心在不斷上升，而就有了藍(lán)移的現(xiàn)象，而隨著電流的繼續(xù)增大，它又開(kāi)始紅移，這時(shí)的主要原因可能是因?yàn)楣茏幼陨戆l(fā)熱而導(dǎo)致了結(jié)溫并不能穩(wěn)定在我們?cè)O(shè)定的溫度，所以是溫度導(dǎo)致的紅移。實(shí)驗(yàn)解釋對(duì)于droop的電流點(diǎn)隨著溫度的上升逐漸變大，與我們致謝隨著論文的截稿也預(yù)示著我四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生涯即將畫上句號(hào)，在大學(xué)的學(xué)習(xí)生活給我的人生帶來(lái)了巨大的影響，前半段的學(xué)習(xí)并不認(rèn)真的我，越發(fā)的知道對(duì)生活的態(tài)度決定我們以后的生活方式。在此畢業(yè)之際，向陪我度過(guò)四年學(xué)習(xí)生涯的老師和同學(xué)表示感謝。感謝朱麗虹老師對(duì)我的耐心指導(dǎo)，以及提供了眾多資料。我專業(yè)知識(shí)并不擅長(zhǎng)，多虧了朱麗虹老師及她的學(xué)生我才能完成這次的論文。最后，感謝為本文的研究提供文獻(xiàn)參考的前輩，感謝你們?yōu)槲姨峁┑难芯坎牧?，使得我在課題的研究上有所啟發(fā)。同時(shí)，感謝各位老師以及同學(xué)的四年多的朝夕相處，碰到問(wèn)題互相探討、團(tuán)結(jié)合作，給予我很大的幫助。致謝隨著論文的截稿也預(yù)示著我四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生涯即將畫上句號(hào)，低溫下GaN基LED發(fā)光機(jī)制分析低溫下GaN基LED發(fā)光機(jī)制分析LED的發(fā)展在20世紀(jì)最后十年間，半導(dǎo)體相關(guān)的材料技術(shù)、微芯片技術(shù)的快速發(fā)展使得LED照明技術(shù)的性能得到了大幅度的提升，在1994年日本科學(xué)家中村秀二通過(guò)在GaN基片上研發(fā)了一款藍(lán)光半導(dǎo)體，這使得GaN技術(shù)在LED領(lǐng)域的應(yīng)用走入了一個(gè)高點(diǎn)，GaN基端的LED產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)高亮度、全色彩的發(fā)光需求。2014年4月1日在墨西哥，前貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員，GaNgleOptronixLtd首席技術(shù)官、博士Hyam基德，在加勒比?！霸O(shè)備，電路，和系統(tǒng)(ICCDCS2014)IEEE國(guó)際會(huì)議”上，宣讀了一篇關(guān)于新型LED生產(chǎn)線的論文，發(fā)布了白光功率LED發(fā)光效率達(dá)到300lm/W。可見(jiàn)，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正向更高光效、更低成本、更多種類和更廣泛應(yīng)用方向發(fā)展。LED的發(fā)展在20世紀(jì)最后十年間，半導(dǎo)體相關(guān)的材料技術(shù)、微芯LED相關(guān)理論發(fā)光二極管原理半導(dǎo)體二極管發(fā)光器件的主要組成結(jié)構(gòu)是P-N結(jié)，是通過(guò)兩端的電子注入而進(jìn)行發(fā)光，半導(dǎo)體材料一般是采用帶隙材料，本課題研究的GaN就是屬于帶隙材料。

LED相關(guān)理論發(fā)光二極管原理LED效率LED的效率包含的范圍有量子效率、發(fā)光效率、光提取效率等。量子效率：量子效率是指LED在實(shí)際工作過(guò)程中，發(fā)光的電子由于內(nèi)部吸收和損耗而對(duì)理論的發(fā)光光子輸出量造成的影響。量子效率可以分為內(nèi)外兩種。內(nèi)量子效率

外量子效率發(fā)光效率：發(fā)光效率表示的是LED發(fā)光系統(tǒng)將吸收的光子能量轉(zhuǎn)換為輸出光能的效率，計(jì)量單位是1m/W等等LED效率LED的效率包含的范圍有量子效率、發(fā)光效率、光提取InGaN/GaNMQWsLED的光學(xué)性質(zhì)的測(cè)試和分析光致發(fā)光測(cè)試：光致發(fā)光，牽涉到一個(gè)由電磁(Electro-Magnetic)輻射激發(fā)的系統(tǒng)，在分類上是屬于光學(xué)發(fā)光的技術(shù)。當(dāng)入射光(電磁輻射)照射在樣品上時(shí)，導(dǎo)致電子被升高至激發(fā)態(tài)，描繪如圖，典型的能帶躍遷過(guò)程。自從雷射可用來(lái)提供「足夠的功率激發(fā)適當(dāng)?shù)挠嵦?hào)」后，入射光典型地來(lái)自于雷射光源(能量)。當(dāng)激發(fā)態(tài)電子返回初始能態(tài)時(shí)，它會(huì)生一個(gè)光子(能量)，也可能產(chǎn)生許多的聲子(能量)。由量守恒，可將其表示為方程式（雷射光源）（光子）（聲子）InGaN/GaNMQWsLED的光學(xué)性質(zhì)的測(cè)試和分析光致發(fā)光可用來(lái)觀察較塊狀半導(dǎo)體復(fù)雜成份結(jié)構(gòu)的樣品。它可用來(lái)研究樣品成長(zhǎng)的好壞，及證實(shí)成長(zhǎng)的成份。這是因?yàn)榻栌晒庵掳l(fā)光量測(cè)變化可知雜質(zhì)與結(jié)構(gòu)上不同的能量差異。如能帶圖所示:(a),(b)光吸收過(guò)程與(c),(d)光致發(fā)光。圖(b)中指光吸收過(guò)程需要光子和聲子(x)。圖(c)和(d)呈現(xiàn)除了光子放射外(PL)，聲子的放射是會(huì)發(fā)生的(*)，因?yàn)楹凸饧ぐl(fā)的長(zhǎng)度有關(guān)，另外，對(duì)間接能隙(d)而言，聲子的放射(o)為了動(dòng)量守恒。光致發(fā)光可用來(lái)觀察較塊狀半導(dǎo)體復(fù)雜成份結(jié)構(gòu)的樣品。它可用來(lái)研時(shí)間分辨PL（TRPL）測(cè)試半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、摻雜離子、晶體質(zhì)量、缺陷狀態(tài)嚴(yán)重影響著載流子的復(fù)合過(guò)程。通過(guò)TRPL測(cè)試，可以得到樣品的載流子壽命，從而分析以上性質(zhì)對(duì)載流子復(fù)合過(guò)程的影響。TRPL測(cè)試系統(tǒng)采用的是時(shí)間關(guān)聯(lián)單光子計(jì)數(shù)方法（TimeCorrelatedsinglephotocounting，TCSPC）來(lái)測(cè)量載流子壽命。其原理是使用微弱脈沖光源激發(fā)樣品，同時(shí)記錄脈沖光源激發(fā)的初始時(shí)間，使熒光進(jìn)入單光子探測(cè)儀，每次脈沖激發(fā)記錄特定波長(zhǎng)的光子，將單熒光光子出現(xiàn)的時(shí)間和脈沖激發(fā)初始時(shí)間的間距記錄下來(lái)，多次計(jì)數(shù)，得出特定波長(zhǎng)熒光光子的時(shí)間分布，即為光強(qiáng)隨時(shí)間的衰減曲線。時(shí)間分辨PL（TRPL）測(cè)試半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、摻雜離子、InGaN/GaN多量子阱發(fā)光的機(jī)制如圖分別InGaN/GaN量子阱在未加極化電場(chǎng)，加上極化電場(chǎng)以及高載流子注入時(shí)的能到結(jié)構(gòu)對(duì)比圖，如（a）,（b）所示，加上電場(chǎng)后，有效禁帶寬度比未加時(shí)小，而（c）在大電流注入時(shí)，載流子屏蔽了部分的極化電場(chǎng)，使得量子阱的禁帶寬度變大，從而出現(xiàn)發(fā)光波長(zhǎng)藍(lán)移的現(xiàn)象。從（b），（c）中我們可以看到，及極化場(chǎng)會(huì)使得電子空穴波函數(shù)分別往量子阱的兩側(cè)偏移，降低電子空穴的復(fù)合幾率，從而降低內(nèi)量子效率。InGaN/GaN多量子阱發(fā)光的機(jī)制如圖分別InGaN/Ga低溫下GaN基LED性能分析如圖所示，這是我們?cè)诘蜏?5K下測(cè)試的在不同的電流下的綠光光譜圖，隨移，但是藍(lán)移到一定的程度后又開(kāi)始紅移。且從中我們可以看出，在大電流下，其半波寬是明顯展寬的，特別是在500mA后光譜的形狀發(fā)生了明顯的改變，光譜的峰值波長(zhǎng)出出現(xiàn)了尖峰。低溫下GaN基LED性能分析如圖所示，這是我們?cè)诘蜏?5K下光效分析圖在圖中，我們通過(guò)測(cè)試從25K-300K中的光譜來(lái)分析droop效應(yīng)，上圖所示的是在350mA下不同溫度下的光譜。從上圖中，我們可以看到，隨著溫度的上升，光功率是整體下降的，而且還發(fā)生了略微的紅移，有一種整個(gè)光譜被壓縮的感覺(jué)。且從光譜峰值波段看，其有明顯變平的趨勢(shì)，且光譜的光滑度降低。光效分析圖在圖中，我們通過(guò)測(cè)試從25K-300K中的光譜來(lái)分外量子效率隨電流變化趨勢(shì)圖所表示的是在不同溫度下，外量子效率（EQE）隨電流變化的趨勢(shì)圖，在上圖中，我們可以看到，溫度越低，其EQE是越高的，且在溫度達(dá)到120K后這種趨勢(shì)更加明顯，在更低溫下雖然也有這樣的趨勢(shì)，但EQE曲線在小電流是的重合度較高，而且下降的電流點(diǎn)隨著溫度的升高上升了。特別地對(duì)于小電流時(shí)，隨著溫度的上升，其EQE的上升斜率變大了，在25K時(shí)，EQE在小電流時(shí)已經(jīng)變成了一條直線。外量子效率隨電流變化趨勢(shì)圖所表示的是在不同溫度下，外量子效率實(shí)驗(yàn)解釋我們討論的重點(diǎn)是對(duì)于大電流下EQE下降，從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，先從圖3上看，在低溫小電流下，其EQE是平的，通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)，我們知道在低溫小電流下，局域態(tài)的影響非常大，所以在小電流下，其局域態(tài)對(duì)發(fā)光復(fù)合起的主要作用，但同時(shí)隨著電流的逐漸增大，解局域態(tài)是越來(lái)越明顯的，所以即使在低溫下EQE也不會(huì)繼續(xù)上升而是持平，而隨著溫度上升，開(kāi)始了解局域態(tài)，所以EQE普遍下降。而對(duì)于后面的droop點(diǎn)而言，發(fā)生在30mA-70mA，此時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體而言，其發(fā)光機(jī)制應(yīng)該主要是以帶邊輻射為主的，所以此時(shí)應(yīng)該與量子阱中的束縛態(tài)相關(guān)，光效下降的原因有很多，但我們猜測(cè)引起其變化的主要原因是因?yàn)檩d流子的溢流，從圖2的光譜中我們可以看到，隨著溫度升高，在峰值波長(zhǎng)段，其光譜變得沒(méi)有低溫下這么平坦，我們猜測(cè)對(duì)于大電流而言，其能束縛在量子阱里面的電子數(shù)是有限的，所以在注入濃度達(dá)到一定的值后，更多的注入載流子并不能引起輻射復(fù)合的增加，反而導(dǎo)致了電流溢出的現(xiàn)象產(chǎn)生，溢出的電流直接從n區(qū)中跑到了p區(qū)，且從圖1中我們可以看見(jiàn)，不同電流下的半波寬是增加的。主要的原因是隨著電流注入的增大，量子阱中占據(jù)的態(tài)也相對(duì)變大，與此同時(shí)，費(fèi)米能級(jí)也