日志
高亮度白光LED用外延片的新进展(二)
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非极性或半极性外延片
目前, GaN基器件大都在蓝宝石衬底的C面上生长. 但C面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜是有极性的,主要有自发极化和压电极化,自发极化起因于GaN薄膜结构中Ga原子集合和N原子集合的质心不重合( c / a = 1. 633 时, Ga, N 原子集合的质心重合) ,从而形成电偶极子,产生自发极化场. 而在InGaN /GaN量子阱结构中,起主要作用的是压电极化场. 压电极化是由晶格失配和热失配而导致的应力产生的. 拉伸应变时,对于Ga面系材料,自发极化Psp和压电极化PPE的方向相同,压缩应变时则相反. 一般在薄膜中形成很强的极化场(达MV / cm量级) ,极化场将阻止发光器件中载流子的注入,由极化场引起的QCSE效应将使发光器件的辐射复合效率降低和发光峰红移,因此随着注入电流的增加,发光峰将出现显著的蓝移,这些发光波长的不稳定性和发光效率低是C面蓝宝石衬底上生长的GaN 极性薄膜所不可避免的,这大大限制了GaN 基光电器件的大功率化,尤其是在GaN 基白光照明革命上形成了很大的障碍.
而
在一些非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面)和其他一些特殊衬底(如LiAlO2 )上生长的GaN薄膜是非极性和半极性的,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应将得到部分甚至完全的改善. 现今研究的非极性或半极性GaN主要包括R 面和A 面 M 面( 10-1-3) 或(112 - 2)面GaN, 常规外延获得的非极性或半极性GaN存在表面粗糙、缺
陷多和不稳定等缺点,因此要改善这些必须采用侧向外延、氢化物气相外延(HVPE)技术和优化外延生长参数. 由中村修二(Shuji Nakamura)领导的研究团队在这些方面已取得重大突破,研究团队验证了该技术的多种优势,如高发射效率、宽范围颜色发射、偏振光发射、高迁移率、p型GaN器件和较低功耗;他们已成功地生长了室温最高空穴密度达2 ×1018 / cm3 的A面p-GaN (这要比C面p-GaN高很多) ;他们还生长
了堆垛层错密度达3 ×103 / cm、位错密度达5 ×106 /cm2 的光滑表面的M 面GaN,并在其上生长蓝光(450nm)LED外延片,在20mA和300mA电注入下测量发光功率,得到的值分别达240μW和2. 95mW,封装后,在20mA连续电注入和1A脉冲电注入(占空比
为0. 25%)下测量发光功率分别达0. 6mW 和23. 5mW ,在高电流下没有饱和迹象,并且波长稳定性很好,开启电压3—4V. GaN半极性(10-1-3)面是N面极性,在其上生长的蓝光(439nm) LED在20mA和250mA电注入下测量发光功率分别达19. 3μW和
1. 53mW,开启电压3—4V. ( 10-1-3)面绿光( 525nm)LED在20mA和250mA电注入下测量发光功率分别达19. 3μW和264μW,开启电压3. 2V. 以上文献报道的发光效率还相对低于常规的C面极性结构,这可能有多方面的原因,如非极性衬底的晶体质量、多量子阱(MQW)的界面平整度、MQW中的压电极化问题和MQW的优化设计和电流有效注入的设计问题等,一旦这些问题得到解决,非极性LED的优越性将显露
无疑. 最新消息据称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍,将达到200lm /W!
目前, GaN基器件大都在蓝宝石衬底的C面上生长. 但C面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜是有极性的,主要有自发极化和压电极化,自发极化起因于GaN薄膜结构中Ga原子集合和N原子集合的质心不重合( c / a = 1. 633 时, Ga, N 原子集合的质心重合) ,从而形成电偶极子,产生自发极化场. 而在InGaN /GaN量子阱结构中,起主要作用的是压电极化场. 压电极化是由晶格失配和热失配而导致的应力产生的. 拉伸应变时,对于Ga面系材料,自发极化Psp和压电极化PPE的方向相同,压缩应变时则相反. 一般在薄膜中形成很强的极化场(达MV / cm量级) ,极化场将阻止发光器件中载流子的注入,由极化场引起的QCSE效应将使发光器件的辐射复合效率降低和发光峰红移,因此随着注入电流的增加,发光峰将出现显著的蓝移,这些发光波长的不稳定性和发光效率低是C面蓝宝石衬底上生长的GaN 极性薄膜所不可避免的,这大大限制了GaN 基光电器件的大功率化,尤其是在GaN 基白光照明革命上形成了很大的障碍.
而
在一些非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面)和其他一些特殊衬底(如LiAlO2 )上生长的GaN薄膜是非极性和半极性的,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应将得到部分甚至完全的改善. 现今研究的非极性或半极性GaN主要包括R 面和A 面 M 面( 10-1-3) 或(112 - 2)面GaN, 常规外延获得的非极性或半极性GaN存在表面粗糙、缺
陷多和不稳定等缺点,因此要改善这些必须采用侧向外延、氢化物气相外延(HVPE)技术和优化外延生长参数. 由中村修二(Shuji Nakamura)领导的研究团队在这些方面已取得重大突破,研究团队验证了该技术的多种优势,如高发射效率、宽范围颜色发射、偏振光发射、高迁移率、p型GaN器件和较低功耗;他们已成功地生长了室温最高空穴密度达2 ×1018 / cm3 的A面p-GaN (这要比C面p-GaN高很多) ;他们还生长
了堆垛层错密度达3 ×103 / cm、位错密度达5 ×106 /cm2 的光滑表面的M 面GaN,并在其上生长蓝光(450nm)LED外延片,在20mA和300mA电注入下测量发光功率,得到的值分别达240μW和2. 95mW,封装后,在20mA连续电注入和1A脉冲电注入(占空比
为0. 25%)下测量发光功率分别达0. 6mW 和23. 5mW ,在高电流下没有饱和迹象,并且波长稳定性很好,开启电压3—4V. GaN半极性(10-1-3)面是N面极性,在其上生长的蓝光(439nm) LED在20mA和250mA电注入下测量发光功率分别达19. 3μW和
1. 53mW,开启电压3—4V. ( 10-1-3)面绿光( 525nm)LED在20mA和250mA电注入下测量发光功率分别达19. 3μW和264μW,开启电压3. 2V. 以上文献报道的发光效率还相对低于常规的C面极性结构,这可能有多方面的原因,如非极性衬底的晶体质量、多量子阱(MQW)的界面平整度、MQW中的压电极化问题和MQW的优化设计和电流有效注入的设计问题等,一旦这些问题得到解决,非极性LED的优越性将显露
无疑. 最新消息据称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍,将达到200lm /W!
