基于金屬有機化學(xué)氣相沉積的混合多量子阱發(fā)光二極管20001

基于金屬有機化學(xué)氣相沉積的混合多量子阱發(fā)光二極管20001

0系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多量床封裝法近年來，gan基光光裕模塊（light）的發(fā)展引起了人們的關(guān)注。由于它具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、體積小和壽命長等優(yōu)點被譽為繼白熾燈、熒光燈、氣體放電燈之后的第四代照明光源。在LED照明領(lǐng)域的所有場合中,顯色性已經(jīng)越來越得到重視,特別是室內(nèi)環(huán)境,對顯色性要求更高。美國能源部(DOE)2009年12月就規(guī)定室內(nèi)照明LED燈的顯色指數(shù)必須大于80。歐盟制定了COST五年行動計劃,提出新光源要符合三個條件:(1)高效、節(jié)能;(2)不使用有害于環(huán)境的材料;(3)模擬自然光,其顯色指數(shù)接近100。而我國的LED照明設(shè)計標準中,也規(guī)定所有辦公室和賓館飯店LED燈的顯色指數(shù)必須在80以上。目前市場上廣泛銷售的白光LED是藍光芯片激發(fā)Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)熒光粉產(chǎn)生黃光與部分沒有被吸收的藍光耦合成白光發(fā)射,通過改變YAG:Ce熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光層的厚度,可以調(diào)節(jié)白光LED的色溫和顯示性,這種白光封裝方式在高色溫情況下,光效和顯色性較高,但是在低色溫下,顯色性就不太理想。特別是在色溫低于5500K時,顯色指數(shù)一般低于70。目前,通常實現(xiàn)高顯色性的白光封裝技術(shù)有四種:(1)RGB三基色芯片混色法;(2)近紫外LED芯片激發(fā)RGB三色熒光粉;(3)藍光LED芯片激發(fā)RG熒光粉;(4)紅光LED補償法等。但是,這四種方案面臨著無機熒光粉光致轉(zhuǎn)換效率低、混色不均勻或芯片驅(qū)動復(fù)雜和顯色指數(shù)(CRI)差等缺點。近來,無熒光粉的單芯片高顯色性白光LED已有報道,主要是在同一個藍寶石襯底上依次生長兩種或三種InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的LED,調(diào)節(jié)In組分來實現(xiàn)從藍光到黃光的發(fā)射從而合成白光,然而,這些LED的電致發(fā)光光譜嚴重地依賴驅(qū)動電流的變化而改變,對其照明應(yīng)用是非常不利的。Shi等人通過采用陣列式側(cè)向界面的混合多量子阱的芯片制造技術(shù)實現(xiàn)了光譜穩(wěn)定的無熒光粉單芯片白光LED,但是,相關(guān)LED的驅(qū)動電壓較高。Park等人則在同一藍寶石襯底上側(cè)向生長不同發(fā)射波長的多量子阱結(jié)構(gòu)的LED,實現(xiàn)了光譜穩(wěn)定的無熒光粉的白光LED,可是相關(guān)制造工藝復(fù)雜不利于應(yīng)用。最近,Mirhosseini等人通過模擬結(jié)果顯示基于雙藍光波長芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉能夠在保持流明效率的同時得到高顯色指數(shù)的白光LED。我們采用混合多量子阱結(jié)構(gòu)的GaN基雙藍光波長芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉實現(xiàn)了高顯色性的白光LED,相關(guān)顯色性達到88。與無熒光粉的白光LED類似,這種白光LED的發(fā)光光譜也隨電流的變化而改變。由于GaN基材料空穴有效質(zhì)量(1.1m0)高于電子的有效質(zhì)量(0.2m0),因此,電子就更容易穿越活性層進入活性層頂部的量子阱層,甚至溢流出有源層進入p-GaN層,相反,空穴就比較難達到活性層靠近n-GaN側(cè)的量子阱,這樣電子空穴在活性層中分布非常不均勻,導(dǎo)致電子空穴復(fù)合發(fā)光發(fā)生在靠近p-GaN側(cè)的幾個量子阱內(nèi),David等人的光譜測量數(shù)據(jù)顯示GaN基多量子阱藍光LED電子空穴的復(fù)合區(qū)主要集中在靠近p-GaN側(cè)的量子阱內(nèi)。這種電子空穴分布不均勻?qū)τ趩尾ㄩLLED結(jié)構(gòu)的電致發(fā)光(EL)光譜影響不大,但是對于混合多量子阱的雙波長LED的EL光譜就產(chǎn)生非常嚴重影響。本文采用金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)系統(tǒng)在(0001)藍寶石襯底上,分別生長含有p-AlGaN電子阻擋層和反對稱n-AlGaN層的雙藍光波長發(fā)射的InGaN/GaN多量子阱發(fā)光二極管,通過在有源區(qū)量子阱中摻入不同組分的In獲得雙藍光波長發(fā)射,研究這兩種雙藍光波長LED結(jié)構(gòu)的光電特性,并將這種雙藍光發(fā)射的芯片與YAG:Ce熒光粉封裝成白光LED,實現(xiàn)了高顯色指數(shù)白光發(fā)射。1帶型led的雙熒光定量和排汗結(jié)構(gòu)利用ThomasSwan公司生產(chǎn)的MOCVD系統(tǒng)在(0001)藍寶石襯底上分別外延生長含有p-AlGaN電子阻擋層和反對稱n-AlGaN層的InGaN/GaNMQW雙藍光波長LED結(jié)構(gòu),LED結(jié)構(gòu)如圖1。三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)分別作Ga、In、Al和N源并由氫氣(H2)作載氣。這兩種結(jié)構(gòu)的LED都是采用常規(guī)的兩步法生長,如圖1(a)所示,具有p-AlGaN電子阻擋層的雙藍光波長LED從襯底至外延層依次生長GaN緩沖層、2μm的μ-GaN、2μm的n-GaN層(摻雜濃度為5×1018cm-3)、混合多量子阱的活性層為兩個周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和兩個周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱、15nm的p-AlGaN電子阻擋層(摻雜濃度5×1017cm-3)以及200nm厚的p-GaN層(摻雜濃度5×1017cm-3)。在本文中,我們提出去掉p-AlGaN電子阻擋層,而在活性層與n-GaN之間引入15nm的n-AlGaN層(摻雜濃度為5×1018cm-3),其它結(jié)構(gòu)一樣,見圖1(b)。所有量子阱的阱層和壘層厚度分別為3nm和10nm。生長過程結(jié)束后,采用掩膜、光刻、腐蝕、電子束蒸發(fā)和ICP干法刻蝕技術(shù)等標準芯片制作工藝將兩種樣品制成300×300μm2尺寸的LED芯片。2空穴注入活性層圖2(a)和(b)分別為p-AlGaN電子阻擋層與反對稱n-AlGaN層的雙藍光波長LED在不同電流下的電致發(fā)光(EL)光譜。這兩種LED都有明顯的雙藍光峰發(fā)射,發(fā)射峰值分別在440nm和470nm,是分別來自In0.12Ga0.88N/GaN量子阱和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的發(fā)射。從圖2(a)和(b)明顯看出n-AlGaN的引入能明顯改善雙藍光波長光譜對電流的依賴性。對于具有p-AlGaN層的雙藍光波長LED,在低電流時其發(fā)射主要是來自藍紫光In0.12Ga0.88N/GaN量子阱的發(fā)射,隨驅(qū)動電流的增大,來自藍光In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的發(fā)射逐漸增強;當(dāng)電流為40mA時,藍光峰和藍紫光峰的發(fā)射強度幾乎一樣,隨電流的進一步增強,藍光峰的發(fā)射強度逐漸大于藍紫光峰。驅(qū)動電流從5mA到80mA的變化范圍內(nèi),相關(guān)藍紫光峰與藍光峰的發(fā)射強度比值由4.3減小到0.90。另一方面,對于具有n-AlGaN層的LED在驅(qū)動電流由5mA增至80mA的范圍內(nèi),其藍光峰和藍紫光鋒的發(fā)射強度比值幾乎不變,始終保持在1.0左右。這主要是由于p-AlGaN層雖然能起到阻擋電子溢出活性層的作用,但同時卻阻擋空穴注入活性層,從而使得空穴在有源層分布非常不均勻,特別在小電流時這種現(xiàn)象非常明顯,空穴躍過p-AlGaN層的阻擋到達其鄰近的量子阱時,立刻復(fù)合發(fā)光,只有很少部分空穴能注入到靠近n-GaN側(cè)的量子阱。當(dāng)電流增大后,空穴的注入能力進一步增強,從而使靠近n-GaN側(cè)的高In組分量子阱空穴濃度也逐漸增大,因此,藍光峰的發(fā)光強度也逐漸增強。隨著p-AlGaN層的移去和反對稱n-AlGaN層的引入,顯著提高了空穴從p-GaN側(cè)注入活性層的能力,同時又能阻擋電子從n-GaN側(cè)的注入,從而有效改善電子和空穴在混合多量子阱活性層中的分布均勻性及減少電子溢出,因此,實現(xiàn)了雙藍光峰均衡發(fā)射。n-AlGaN層的引入除了能改善雙藍光波長發(fā)射光譜的穩(wěn)定性,還能顯著提高器件的發(fā)光功率(如圖3所示)。這兩種雙藍光波長LED的發(fā)射功率都隨驅(qū)動電流的增大先增大,然后逐漸減小,但是,在整個電流變化范圍內(nèi),具有n-AlGaN層LED的發(fā)光功率始終大于傳統(tǒng)p-AlGaN層LED的發(fā)光功率。為了進一步分析n-AlGaN層和p-AlGaN層對雙藍光波長LED光電性能的影響,運用CrosslightAPSYS軟件對相關(guān)器件進行模擬分析。圖4(a)和(b)表示分別模擬具有p-AlGaN電子阻擋層和反對稱n-AlGaN層的雙藍光波長LED在20mA時的能帶圖、準費米能級分布圖和載流子濃度分布情況。p-AlGaN層對電子起限制作用的同時又對空穴的注入起阻擋作用,這將會導(dǎo)致電子空穴注入非常不平衡。在圖4(a)中,由于在GaN壘層、p-AlGaN電子阻擋層和p-GaN層之間存在很強的極化電場,導(dǎo)致p-AlGaN層和p-GaN層界面處價帶形成空穴集聚的凹口(notches),而在GaN壘層與p-AlGaN層界面處價帶形成了阻擋空穴注入的尖峰(spikes)。隨電流的增大,這種效應(yīng)對空穴的阻擋作用將加大,導(dǎo)致空穴濃度不足而電子濃度過剩的現(xiàn)象。另外,GaN壘層與p-AlGaN層之間的極化電場降低了導(dǎo)帶處最后一個壘層的勢壘,減弱了在大電流下對電子的限制。隨著在活性層和n-GaN層之間引入n-AlGaN層和p-AlGaN層的移除,數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)價帶的費米能級更接近量子阱的價帶頂,而導(dǎo)帶中的費米能級更遠離量子阱的導(dǎo)帶底,因此,n-AlGaN層的引入有效提高空穴注入的同時又減弱電子的注入。比較圖4(a)和(b)還發(fā)現(xiàn)具有n-AlGaN層的LED活性層的各量子阱中空穴濃度均高于傳統(tǒng)p-AlGaN層的LED,相應(yīng)電子濃度都有明顯的減小。所以,n-AlGaN層的引入能有效改善混合量子阱中電子與空穴分布的均一性,從而使各個量子阱對雙藍光發(fā)射都有貢獻,減弱雙藍光波長發(fā)射光譜對電流的依賴性,這與圖2的發(fā)射光譜結(jié)果非常一致。圖5(a)和(b)分別表示具有p-AlGaN層和n-AlGaN層雙藍光波長芯片與YAG:Ce熒光粉封裝成白光LED在不同電流驅(qū)動下的發(fā)射光譜。這兩種白光LED的發(fā)射光譜都表現(xiàn)出三個發(fā)光峰,其中440nm和470nm的發(fā)光峰來自雙藍光芯片的電致發(fā)光,而570nm為YAG:Ce熒光粉吸收雙藍光產(chǎn)生的光致發(fā)光。從圖5(a)和(b)明顯看出具有p-AlGaN層雙藍光芯片與YAG:Ce熒光粉封裝成白光LED的發(fā)射光譜隨驅(qū)動電流的變化非常明顯,而具有n-AlGaN層雙藍光芯片封裝成白光LED的發(fā)射光譜卻幾乎不隨電流變化。這主要是由于n-AlGaN層的引入能有效提高雙藍光波長芯片的光譜穩(wěn)定性,這種穩(wěn)定的光譜發(fā)射對照明應(yīng)用非常重要。比較圖5和圖2發(fā)現(xiàn),白光LED中的藍光發(fā)射強度相對于藍紫光有變小的趨勢,這主要是因為YAG:Ce熒光粉的吸收峰的最大值在465nm,非?？拷{光發(fā)射峰,所以YAG:Ce熒光粉對藍光峰的吸收比對藍紫光峰的吸收要強。通過調(diào)節(jié)熒光粉的厚度和含量來分析雙藍光波長芯片與單藍光波長芯片的熒光轉(zhuǎn)換白光LED的顯色指數(shù)隨色溫的變化情況,圖6表示n-AlGaN層雙藍光波長芯片和單藍光芯片與YAG:Ce熒光粉封裝成白光LED在20mA電流驅(qū)動下的顯色指數(shù)(CRI)隨色溫(CCT)的變化關(guān)系。從圖中看到在3500K~8500K的相關(guān)色溫變化范圍內(nèi),基于雙藍光波長芯片的白光LED的顯色指數(shù)明顯高于單藍光波長芯片的白光LED。單藍光波長白光LED在相關(guān)色溫為5023K時顯色指數(shù)達到最大值77.8,然后下降到67.8(CCT=8500K)。而具有n-AlGaN層雙藍光波長白光LED的顯色指數(shù)從3500K時的最小值77增大到6058K時的最大值91.8后緩慢下降,但是,仍然一直保持在85以上。雙藍光波長發(fā)射芯片能顯著改善封裝成白光LED的顯色指數(shù),主要是由于雙藍光波長芯片激發(fā)YAG:Ce熒光粉的白光LED能增加白光發(fā)射光譜的帶寬(如圖6內(nèi)插圖所示)。根據(jù)顯色指數(shù)公式:Ra=18∑i=18RiRa=18∑i=18Ri,其中,Ri為1~8號試驗色的光譜輻射亮度因數(shù),分別對應(yīng)淡灰紅色、暗灰黃色、飽和黃綠色、中等黃綠色、淡藍綠色、淡藍色、淡紫藍色、淡紅紫色等8種顏色。從表1可以看出雙藍光芯片熒光轉(zhuǎn)換的白光LED的R1~R8普遍高于單藍光芯片的白光LED,特別是R3、R6、R7、R8,它們分別對應(yīng)飽和黃綠色、淡藍色、淡紫藍色和淡紅紫色等試驗色。在6500K的色溫下,基于雙藍光波長芯片封裝的白光LED的顯色指數(shù)為91,最大發(fā)光效率為58.3lm/W,相對于單藍光芯片89.6lm/W還有一定的差距。但是,YAG:Ce熒光粉由于具有化學(xué)性能穩(wěn)定、發(fā)射光譜寬(80~100nm)、熒光量子效率高、壽命長、熔點高和抗老化性能強等特點,所以在不改變?nèi)魏维F(xiàn)有白光LED制造工藝的情況下通過對藍光波段發(fā)射芯片進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,實現(xiàn)基于YAG:Ce單組分熒光粉的高顯色性白光LED制造技術(shù)具有重要意義,通過對雙藍光波長發(fā)射芯片的外延生長和芯片制備技術(shù)的優(yōu)化,這種白光LED的發(fā)光效率還有很大的提升空間。3基于雙熒光發(fā)射芯片的電子空穴控制利用MOCVD系統(tǒng)在藍寶石襯底上分別制備了具有傳統(tǒng)p-AlGaN層和反對稱n-AlGaN層的雙藍光波長LED,實現(xiàn)了雙藍光波長發(fā)射,并對這兩種雙藍光波長發(fā)射LED的光電性能進行了