本科毕业论文-GaN基LED特性测量_图文

1、 本科毕业论文(科研训练、毕业设计题 目：GaN 基LED 特性测量姓 名：学 院：系 ：专 业：年 级：学 号：指导教师（校内）： 职称： 2012年 05 月 24 日GaN 基LED 特性测量摘要 本文对GaN 基LED 的光学特性、电学特性和热学特性进行了研究，先介绍了LED 的发光原理、GaN 材料的基本特性和垂直结构的LED ，然后采用光谱法测量GaN 基LED 的光谱特性并利用结温与峰值波长的关系计算LED 的结温。关键字 GaN 基LED电致发光 垂直结构光谱法 结温 The charecteristic investigation of the GaN-based LEDAb

2、stract In this article, we studied the optical charecteristic, electrical charecteristic, and thermal charecteristic of the GaN-based LED. First, the luminescence principle of LED, the base charecteristic of GaN materials, and the structure of the LED were introduced. Then, the optical properties of

3、 GaN-based LED were investigated systemically. The relationship between the junction temperature and peak wavelength was also investigated by analysing the experiment data.Keywords GaN-based LED Electroluminescence Vertical structure SpetrometryJunction temperature 目录第一章 引言.11.1 LED 的应用及发展史.11.2 族氮化

4、物材料基本性质及GaN 基LED 器件的研究进展.21.3 GaN 基LED 所面临的主要问题.41.4 论文的主要内容.6第二章 器件结构及测试方法.72.1 GaN基LED 的器件结构.72.2电致发光原理.82.3 LED的结温测量.9第三章 测量结果与分析.113.1 GaN基LED 光学特性分析.113.2 GaN基LED 电学特性分析.133.3 GaN基LED 热学特性分析.14结论.17致谢语.18参考文献.19 第一章引言1.1 LED 的应用及发展史LED 全称是Light-Emitting Diode，即发光二极管，是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发

5、生复合放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光的发光器件，被称为第四代照明光源和绿色光源。与传统光源相比，LED 具有以下特点：寿命长，可靠耐用，维护费用低，效率高，耗电量小，绿色环保，无汞污染，响应速度快，体积小，适用性广泛，易于控制管理，易于进行二次光学设计等。由于这些特点，LED光源在许多领域具有其他光源无法替代的优势，现已广泛应用在指示、显示、装饰、背光源、城市夜景等特殊照明领域。并且随着功率型白光LED 光效的逐步提高、价格的下降，其已具备应用于民用照明领域的条件，预计在不久的，白光LED 将会取代传统照明光源成为通用照明灯进入千家万户。由于LED 的诸多特点及其应用前景，使得它具有取

6、代传统光源以实现节能环保，这也十分符合联合国气候变化框架公约中节能减排的要求，因此世界上经济发达的国家围绕LED 的研制展开了一场激烈的竞争。美国于2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”,欧盟于2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”，我国也在2003年首次提出发展半导体照明计划。 LED 的发展史可追溯到上世纪六十年代，1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料作成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。其后不久，Monsanto 和惠普公司推出了用GaAsP 材料制作的商用化红色LED。这种LED 的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的

7、每瓦15流明要低上100多倍。1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP 器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。到1971，业界又推出了具有相同效率的GaP 绿色芯片LED。80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外运动信息发布以及汽车中央高位刹车灯(CHMSL设备。1990年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的AlInGaP 技术，这比当时标准的GaAsP 器件性能要高出10倍。20世纪90年代初，日本日亚化学公司的Nakamura （中村修二

8、）在GaN 基材料上成功制备出蓝光和绿光LED，发光强度超过1cd，紧接着有用单量子阱结构获得发光强度大于10cd 的蓝、绿、黄InGaN 基LED。由此人们看到了白光LED 的曙光以及GaN 基LED 广阔的市场前景和巨大商机，也由此引发了对GaN 基LED 研究和开发的热潮。GaN基LED 迅速发展，并逐渐进入到应用市场领域。11.2 族氮化物材料基本性质及GaN 基LED 器件的研究进展III 族氮化物宽禁带半导体材料是继Si 和GaAs 材料后的第三代半导体材料，具有高熔点，高硬度，高热导率与电子迁移率，化学稳定性好和抗辐照能力强等优异物理、化学性质。GaN 材料通常呈现纤锌矿晶体结构

9、，如图1所示。纤锌矿GaN，每个晶胞中分别含六个Ga 原子和六个N 原子，整个晶胞中共有12 个原子，由两个六方密堆子晶格套构而成，子晶格沿c 轴的偏移量为晶胞高度的5/8 (即5/8c。闪锌矿GaN 的每个晶胞含有4 个III 族的Ga 原子和4 个V 族的N 原子，各原子的相对位置和金刚石结构相同。氮化镓的这两种结构基本类似，每个III (V族原子都与最近邻的四个V(III族原子成键，其区别在于堆垛顺序。纤锌矿沿c 轴<0001>方向的堆垛顺序为ABABAB ，闪锌矿沿<111>方向的堆垛顺序为ABCABC 。通常状态下，热力学上稳定的GaN 结构是纤锌矿结构，闪锌

10、矿结构是GaN 的亚稳相。不同的衬底和衬底晶向可以外延出不同的GaN 晶体结构，例如在蓝宝石（Sapphire）、GaAs(111、6H-SiC、Si(111、MgAl2O4(111可以得到纤锌矿结构的GaN 外延层；在GaAs(001、Si(001、MgO和3C-SiC 上可以得到闪锌矿结构的GaN 外延层。生长温度也会影响外延层的晶体结构，纤锌矿结构GaN 生长一般需要1000以上温度，而生长温度小于800时，得到的通常是闪锌矿结构。2 图1纤锌矿结构和闪锌矿结构六方GaN 能带如图2所示。其导带为抛物线形状，且具有很强的s 特性，电子有效质量在0.17-0.190m ，比GaAs 的电子

11、有效质量0.0660m 高出很多。因为六方晶型和自旋轨道耦合，GaN的能带中存在三个价带，价带具有较高的非抛物线性，因此空穴有效质量随方向变化较大，范围在0.330m 到2.030m ，分别存在重空穴(heavy holes 、轻空穴(light holes和分裂空穴(split-off holes带，能够观察到三个基态激子跃迁，相应于电子，分别与以上三种空穴复合。 图2六方GaN 能带InN、GaN和AlN 均属于直接带隙半导体材料，通过控制In 组分的浓度，其带隙可以从0.7 eV（InN）到6.2 eV（AlN）连续改变，如图3 所示。其发光波长涵盖了从近红外到深紫外的光谱范围，与太阳光

12、谱完美匹配，是重要的发光与显示材料和光电转换材料。采用InGaN 作为有源层的发光二极管可以实现紫光、蓝光以及绿光发射。 图3 III族氮化物带隙与晶格常数关系1.3 GaN 基LED 所面临的主要问题现今的LED 器件发展到现在主要都是在蓝宝石衬底上生长的，随着MOCVD 技术的成熟以及LED 器件制备工艺的稳定，蓝宝石衬底的LED 器件的光效也在逐渐的提高，对于传统结构的LED 器件，目前国内主流的LED 产品光效普遍已经达到了80-100lm/W。虽然如此，但GaN 基LED 要真正应用于普通照明领域，其效率及功率还需进一步提高，这主要由于传统的LED 器件本身的局限性所带来的。首先，现

13、今的GaN 基材料都是在蓝宝石衬底上生长的，蓝宝石衬底差的导电性和与GaN 材料的晶格不匹配问题带给了现今流行的LED 器件很多了不可回避的缺陷。蓝宝石与GaN 两种材料高达13.6%的晶格失配率和不同的热胀系数使得生长在蓝宝石衬底上的GaN 材料有极高的位错密度，并且残留了大量的应力在GaN 外延层中。高的位错密度使有源层中的非辐射复合中心增加，降低了器件的内量子效率，并且也形成了漏电通道，降低了器件的载流子注入效率。残存在器件内部的应力会使量子阱的能级发生倾斜，使发光波长红移，同时电子和空穴在空间上的分离也极大地降低了量子阱有源区的辐射复合效率。其次，蓝宝石衬底的不导电性使得基于蓝宝石衬底

14、的LED 器件只能制备成平面结构的LED 器件，如图4（a）,即P、N电极在GaN 外延片的同一表面上。这样的结构使注入器件的电流不能够得到充分的扩展，因而极大的降低了器件的注入效率。另外，N面电极的刻蚀减少了出光面积，器件表面的大面积P电极也阻 碍了器件的出光，造成了器件的外量子效率的下降。3 图4（a） 正装结构GaN 基LED另外，蓝宝石差的导热特性使得器件在工作时的产生的热量不能够有效地传递到热沉上去，从而使得LED 器件工作时的结温急剧升高。这种结温的升高在小功率LED 器件中体现的并不是十分明显，然而在大功率LED 器件中，在高过小功率LED 器件近百倍的注入功率下，器件的散热就显

15、得尤为的重要。蓝宝石衬底上的LED 器件由于结构的限制，使得器件的内外量子效率并不能够达到一个较高的水平，并且，由于蓝宝石衬底差的导热特性使得器件在工作时产生的热量不能够有效地导出，造成器件结温升高。因此，极大的限制了GaN 基LED 器件往高功率的方向的发展。如何克服蓝宝石衬底的障碍，成为了GaN 基LED 器件的主流课题。随着1997年Kelly 等人提出使用激光剥离蓝宝石衬底（Laser Lift Off）技术，垂直结构GaN 基LED 也被提了出来。垂直结构LED 通过剥离技术将GaN 外延层转移至Si、Cu 等高热导率的衬底，使两电极分别在GaN 基LED 的两侧。由于图形化电极和全

16、部p-GaN 层作为第二电极，使电流几乎全部垂直通过GaN 外延层，没有横向流动的电流，有利于器件的注入电流充分的扩展，提高了载流子的注入效率，尤其是在大功率器件大电流注入的情况下，充分的电流扩展可以减少注入载流子的over flow等现象，提高器件的效率，减少热效率的产生。 图4（b） 垂直结构GaN 基LED而导热衬底的替换充分解决了蓝宝石衬底的热导瓶颈问题。极大地降低了器件正常工作时的结温，拓展了器件在大功率中的应用。从2000年到2004年，Wong 等人和台湾交大等先后报道出使用Cu 衬底或Si 衬底的GaN 基LED 器件其光功率可以达到蓝宝石衬底GaN 基LED 器件的2到4倍。

17、此外，垂直结构LED 器件，避免了对LED 器件表面的刻蚀，增大了器件的出光面积，提高了外量子效率。垂直结构LED 器件满足了GaN 基大功率LED 器件大电流注入的特点，解决了结温升高的问题，并且提高了器件的光功率，因此，它将是GaN 基器件未来一段时间的首选结构。1.4 论文的主要内容本文通过光学测量手段，对传统正装结构以及垂直结构的GaN 基LED 的光学、电学及热学性进行了分析，主要包括：1）GaN基LED 光学特性分析：测量GaN 基LED 不同注入电流下的发光光谱，分析其发光强度、发光波长以及半高宽等参数的变化。2）GaN基LED 电学特性分析：测量GaN 基LED 的I-V 特性

18、曲线，对比分析两种结构的电学特性。3）GaN基LED 热学特性分析：利用光谱法测量GaN 基LED 的结温，对比分析垂直结构GaN 基LED 散热性能的改善。 第二章 器件结构及测试方法2.1 GaN基LED 的器件结构本实验中，我们分别对垂直结构和正装结构GaN 基LED 进行了测量了。其器件结构如2-1所示： 图5（a）垂直结构LED器件示意图 图5（b）正装结构LED 器件示意图图5（a）为垂直结构LED 器件示意图，主要包括位于两侧的正负电极、N型GaN、一多重量子阱、P型GaN、粘结金属和Si 衬底。图5（b）为正装结构LED器件示意图，主要包括位于同一侧的正负电极、 电流扩散层、P

19、型GaN、一多重量子阱、N型GaN 和蓝宝石衬底。2.2 电致发光原理处于激发态的分子、晶体和非晶态物质在向低能级跃迁时会产生辐射，及发光。根据其受激方式的不同，这种激发态发光可分为三种形式：光致发光、电致发光和阴极发光。电致发光，英文名称为Electroluminescence，简称EL。这种发光不存在像白炽灯那样将电能转换成热能，使物体温度升高而发光的现象，故而这种光称为冷光。电致发光有两种类型：第一类是荧光材料在电场的作用下，导带中的电子被加速到高能状态并撞到发光中心上，使发光中心激发或电离，处于激发态的发光中心跃迁到基态或与电子复合就会产生辐射，即发光，荧光材料中激活剂的不同决定了不同

20、的发光颜色；第二类电致发光又称为注入式场致发光，LED和LD 的发光就属于这类发光过程，在注入式场致发光中，电场的作用就是注入非平衡载流子，使得系统受到激发，电子从低能态跃迁到高能态，又因为高能态为激发态，是不稳定的，很容易跃迁回低能态，于是当他们从高能态回到低能态时，根据能量守恒定律，多余的能量将辐射出来，即发光，发出的光的波长取决于能量差：由上式可知，激发电子的能量差越大，所发辐射的波长就越短，反之能量差越小，波长就越长。实验装置包括PC、恒流电源、聚光透镜光栅单色仪和GaN 基蓝光LED，如下图所示 图6 电致发光设备示意图2.3 LED的结温测量结温是表征LED 工作特性的重要参数之一

21、。LED的基本结构是一p-n 结，严格意义上，结温是指LED 中p-n 结的温度，而通常可以理解为LED 芯片的温度。结温的形成一部分归因于输入电能的不完全转化，注入LED 的电能只有一部分用来产生光电效应，使载流子复合辐射发光，另一部分能量在电子空穴的运动中转化为热能；另一个原因是LED 器件的散热能力，散热能力是产生结温高低的关键，散热能力强则结温低，若散热能量差则结温升高，结温升高会致使发光效率降低，反过来又使结温升高。4 制备LED 应该尽量减小热阻，使结温降低。过高的结温会对LED 器件造成一些永久性的不良影响：一是各外延层之间或多或少会有一些晶格匹配失调，从而在界面上形成大量缺陷，

22、过高的温度会由于热胀冷缩的不同使的晶格失配进一步扩大，界面上的缺陷会快速繁殖、蔓延，甚至侵入发光区，而使得LED 器件发光效率降低；二是材料的微缺陷和界面与电极的杂质也会进入发光区形成一些深能级，加上器件性能的衰变；三是高温时，器件上的环氧封装会变质、发黄，使得出光效率进一步下降衰减。一般来说，LED封装用的环氧胶在温度超过一个特定温度T=125时，封装环氧胶的特性将从一钢性的玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶的状态，材料的膨胀系数将急剧增加，形成一明显的拐点。当温度在这一特定温度变化时，器件将发生明显的膨胀或收缩，其间应力的变化可能会对LED造成永久性损害。5由于结温对LED 性能的重要影响，测

23、量结温是一很重要的步骤，目前的文献提到过几种测量LED 结温的方法，如光谱法、红外热成像法、电致发光法、光致发光法和脉冲法等。在本实验中我们利用光谱法测量器件结温。其利用的是随着LED 结温升高，LED的主波长p 会发生红移，其正法线方向的亮度也会下降，有实验数据表明，结温每升高10，则波长红移1nm，主波长随温度升高的关系式可表为1：p （T）=0 （0T ）+g T ×0.1nm/利用光谱法测量结温的过程中，要根据峰值波长的变化得出LED 的结温变化，就先得先测出两者之间的关系，光谱法的实验思路便是如此。测试的实验原理图可如下： 图7 LED结温和光谱特性关系测量原理图实验时，首

24、先设定好LED 的电流值，然后调节恒温台温度，使LED 处于温度T，由单色仪和CCD 就可以得到此时的光谱图，改变恒温箱的温度，就可以得出不同结温下LED 的光谱图，再由光谱图得到各结温所对应的峰值波长，作数据处理，求得结温与峰值波长的关系。第三章测量结果与分析3.1 GaN基LED 光学特性分析LED 在不同电流下的光谱图 归一化强度（任意单位）波长（nm）图8 正装结构LED 的P-图VLED 在不同电流下的光谱图 归一化强度（任意单位）波长（nm） 图9 垂直结构LED 的P-图LED、VLED结温与峰值波长的关系如下： 峰值波长 （n m ）电流I（mA）图10 LED和VLED 的-

25、I图上图显示，随电流的增大，垂直结构LED 峰值波长的变化比传统结构LED 小很多，且电流能达到更大的数值，这表明垂直结构LED 的散热性能比传统结构的LED 好很多。以下是电流与波长半高宽的关系： 163840峰值波长半高宽电流I(mA 图11 半高宽-电流关系图由上图可看到，传统结构LED 在相同电流下其发光谱的半高宽要大于垂直结构的LED，且其增长速率也比后者快。以下是传统结构和垂直结构的LED 在不同注入电流下的发光功率： 作出LED 的P-I 图，如下： 0510152025发光强度(任意单位电流（mA）图12 LED和VLED 的P-I 图由P-I 图我们可以看出，同一电流下垂直结

26、构LED 的功率比传统结构LED 大，另外垂直结构LED 在500mA 时仍未饱和，而传统结构LED 在约200mA 时就已经达到最大值，这说明垂直结构LED 的散热性能比后者好很多，它能承受更大的电流。3.2 GaN基LED 电学特性分析绘制LED 的正向I-V 特性图，如下： 51015 20电流I (m A 电压U（V）图13 LED和VLED 的I-V 曲线由I-V 特性曲线图，我们可以看到相同电压下垂直结构LED 的电流大于传统结构LED，但是两者的启动电压都约在2.5V 处，由此可判断垂直结构的LED 在这方面与传统结构LED 没什么差异。3.3 GaN基LED 热学特性分析利用光

27、谱法测量普通结构LED 结温随波长的变化曲线，其数据如下：458460462464466468470472474476峰值波长（n m ）温度（）图14 峰值波长-结温关系图可以看出在不同电流下，器件的峰值波长随结温变化基本呈现一线性关系。对20mA 电流下，器件的峰值波长随结温变化进行拟合如下图所示，则可以由上图可得到该LED 结温与峰值波长关系为： 460468469470峰值波长(n m 结温T(图15 20mA时峰值波长-结温关系图（nm）=0.05938*T（）+457.1500（1）即=0.05938*T（）（2）利用此方法对不同电流下器件峰值波长随结温变化曲线进行拟合，则可以得到

28、如下表格： 根据以上表格可以得到在某一特定电流下，器件的结温每增加1，则器件的峰值波长移动0.05943nm。值得注意的是，由于本研究中两种器件所采用的外延片结构完全一致，因此，这一参数也完全适用于垂直结构LED。 -2024681012电流I(mA图16 LED和VLED 波长变化与电流关系图从图中我们可以看到，在200mA 下，VLED 波长偏移量相比于正常结构LED 小约13.3nm ，由此可以推算，其结温比LED 小约224。 结论 结论 本文介绍了 GaN 的材料特性、 电致发光的原理、 垂直结构及结温的测量， LED 利用光谱法测量 GaN 基 LED 的光谱特性并测试其结温与光谱的关系， 分析了它的 电学特性、光学特性和热学特性，比较垂直结构 LED 与传统结构 LED 的区别，得 出其光谱峰值波长的移动与结温变化的关系。 LED 作为一种发展潜力巨大的光源，其研究取得过很多成功，但其发展仍受 很多限制， 如何降低结温和热阻、 使单个 LED 发出更大功率依旧是一个重大课题。 特别是 GaN 基 LED， 自从 90 年代 GaN 基 LED 发出实用性蓝光以来，GaN 就