微纳制造与半导体器件 课件 3 III族氮化物发光二极管

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III族氮化物发光二极管III族氮化物发光二极管01LED介绍：LED工作原理LED工作原理与结构

LED工作原理基于半导体材料电致发光，利用p-n结在正向偏置电压下发光，单向导电性显著。

LED结构p型与n型半导体接触形成p-n结，多数载流子扩散形成空间电荷区，内建电场平衡载流子运动。

LED发光机制正向电压下，非平衡载流子复合产生光子，实现电能到光能转换；反向电压下，电流小，不发光。LED介绍：LED工作原理

LED外延层结构如图10.2所示，LED外延LED介绍：LED复合机制辐射复合与非辐射复合LED芯片中，辐射复合是电子与空穴复合以光子形式释放能量；非辐射复合不发射光子，能量以声子等形式释放。LED介绍：LED复合机制辐射复合机制与效率

辐射复合机制主导直接带隙半导体复合，提升LED光电转换效率关键，复合率公式关联载流子浓度。

非辐射复合机制缺陷如杂质、位错致中间能级，电子被捕获后与空穴复合，称SRH复合，影响LED效率。LED介绍：LED复合机制非辐射复合机制与计算

LED复合机制俄歇复合关键，涉及第三载流子，能量转移复杂，影响LED效率。

非辐射复合包括俄歇复合与载流子泄漏，总复合速率综合考虑，图10.3展示三种复合过程。LED介绍：LED特性参数

LED特性参数为提高LED光电性能及推广应用，需定量确定内量子效率、外量子效率和取光效率等重要参数指标。LED介绍：LED特性参数内量子效率

LED特性参数内量子效率反映载流子转换光子效率，高效率使LED更亮能耗低，优化量子阱结构和提升晶体质量可提高效率。

计算公式IQE计算涉及光功率、注入电流、光子能量和电荷量，非辐射复合影响效率，变温光致发光测不同温度下IQE。LED介绍：LED特性参数光提取效率

01LED特性参数取光效率定义为LED有源区辐射到外部空间的光子数与总产生光子数之比，受材料吸收、菲涅尔损耗及全内反射影响，实际值低于理想状态。

02LED光学原理光子在GaN/空气界面以大于23.6°临界角入射时，发生全内反射，限制光子逃逸，形成逃逸光锥，界定LED发光可出射角度范围。LED介绍：LED特性参数外量子效率

LED外量子效率定义为单位时间内外部光子数与注入载流子数之比，等于内量子效率与光提取效率乘积。

效率衰减现象在高电流密度下，LED的外量子效率会急剧下降，限制了高亮度和大功率应用的效率提升。LED介绍：III族氮化物材料应力特性III族氮化物材料的应力与应变

III族氮化物材料应力特性应力与应变间遵循广义胡克定律，通过应力、应变张量及弹性常数描述，面内、面外应变由衬底与材料点阵常数差决定，体现压应变或张应变。

III族氮化物材料应变计算基于点阵常数变化计算应变张量，利用弹性常数关联应力张量，面内应变受衬底影响，面外应变涉及泊松比计算。LED介绍：III族氮化物材料应力特性III族氮化物材料的弹性常数与合金化

LED介绍III族氮化物如GaN、AlN、InN，具宽禁带、直接带隙，适用于光电子器件。

应力特性三元或四元化合物应力特性通过线性近似计算，合金如AlxInyGa1-x-yN的晶格常数随组分变化，体现于公式10-18与10-19。LED介绍：III族氮化物材料应力特性

III族氮化物材料的禁带宽度与温度的关系III族氮化物材料禁带宽度受温度影响，根据Varshni经验公式，其关系为Eg=Eg(0)-αT²/(T+β)，其中Eg(0)是绝对零度时的禁带宽度，α和β是与温度相关的常数。LED介绍：极化效应自发极化与压电极化

极化效应原理在纤锌矿GaN中，因晶格不对称，Ga与N层分离，产生沿c轴的自发极化，方向由Ga至N，形成内建电场。极化方向判定Ga面极化沿[0001]方向向上，N面则相反；GaN、AlN、InN自发极化强度分别为-0.034C/m^2、-0.042C/m^2、-0.090C/m^2，可用Vegard插值法计算三元及四元化合物的极化场。LED介绍：极化效应极化电场与应变效应

极化效应氮化物纤锌矿半导体材料在应力作用下产生压电极化，晶格常数变化引起应变，形成拉伸或压缩应变，影响极化电场。

压电极化计算压电极化矢量计算公式涉及压电常数和材料应变，总极化电场强度为自发极化与压电极化之和，反映材料内部电荷分布状态。LED介绍：极化效应极化效应与发光效率

极化电场影响因应变及自发极化产生电场，致能带倾斜，电子空穴分离，发光效率降，即量子限制斯塔克效应。

发光特性变化极化效应使有效带隙缩小，发光波长红移，半峰宽增大；高掺杂或大电流可屏蔽电场，引发波长蓝移。LED介绍：极化效应

能带结构与光学特性半导体材料能带结构决定光学和电学特性，纤锌矿结构AlN、GaN、InN能带结构相似，导带价带极值均在布里渊区Γ点。LED介绍：欧姆接触机理欧姆接触形成条件金属与半导体功函数差异小时，接触面势垒小或无，电压集中活动区，形成欧姆接触。欧姆接触特性与工艺具线性电流-电压特性，接触电阻可忽略，LED需高温退火实现，是芯片制造关键流程。LED介绍：欧姆接触机理欧姆接触基本理论

欧姆接触原理金属与半导体接触，调整功函数差异，形成低阻通道，利于载流子传输。欧姆接触条件对于n型，金属功函数小于半导体；对于p型，金属功函数大于半导体，实现良好接触。欧姆接触优化重掺杂半导体，利用隧穿效应，减薄势垒区，降低接触电阻，形成高效欧姆接触。LED介绍：欧姆接触机理欧姆接触的测量

欧姆接触特性低阻特征关键，比接触电阻率ρc衡量质量，直接影响电学性能。

测量方法对比四探针法便捷低成本但精度欠佳，TLM模型精度高需复杂工艺，CTLM模型避刻蚀，工艺简单，精度高。LED介绍：欧姆接触机理欧姆接触实验流程

LED外延片结构自蓝宝石衬底至顶层依次为：GaN成核层、u-GaN、n-GaN、InGaN/GaNSL、MQWs、低温GaN、p-AlGaN、p-GaN。ITO欧姆接触制备光刻定义图案，蒸镀ITO，丙酮中超声去除光刻胶，高温退火处理。CTLM模型设计设计含9个同心圆环，内径50µm，外径75-275µm，间距25µm，中心距1.2µm，确保双探针测量I-V特性。CTLM模型制作使用S1813正性光刻胶，掩模版黑色部分阻隔紫外光，形成清晰完整的金属环形电极图案。LED外延结构及生长工艺：图形化蓝宝石衬底纳米图形化蓝宝石衬底

LED外延结构及生长工艺：图形化蓝宝石衬底采用凹坑型NPSS，优化AlN外延生长，降低位错密度，提升UVCLEDIQE。凹坑型优于锥形，促进AlN单晶薄膜生长，改善晶体质量。生长工艺含AlN成核层、高温AlN、低温AlN、脉冲氨气横向外延生长，最终高温AlN生长，实现高质量AlN外延层。内应力分析显示NPSS生长AlN受压应力，有利UVCLED结构生长，无裂纹，PL强度提升70%。LED外延结构及生长工艺：图形化蓝宝石衬底SiO2阵列图形衬底

LED外延结构及生长工艺：图形化蓝宝石衬底PSS技术提升LEDIQE和LEE，优于ELOG，但在AlGaN基UVLED生长上遇挑战，需设计特殊衬底以改善晶体质量与出光效率。LED外延结构及生长工艺：SiO2图形阵列SiO2图形阵列替代PSS蓝宝石图形，改善蓝光LED晶体质量和光功率，PSAS作为UVLED生长模板，优化AlGaN生长行为，提高晶体质量与光输出。LED外延结构及生长工艺：溅射AlN成核层

溅射AlN薄膜基本原理脉冲直流电场下，0.5Pa稀薄气体辉光放电形成等离子体，氩离子轰击铝靶溅出铝原子，与氮结合成AlN薄膜，衬底加热400~700℃可提高接合力。LED外延结构及生长工艺：溅射AlN成核层溅射AlN成核层特性及影响

溅射AlN成核层作用提升GaN外延层晶体质量，机理需深入研究，对比低温GaN、AlGaN成核层分析位错降低机制。

研究方向探究不同厚度溅射AlN成核层对GaN晶体质量和UVLED光电性能影响，优化AlN成核层厚度。LED外延结构及生长工艺：溅射AlN成核层不同成核层对GaN生长影响

LED外延结构SEM显示，无成核层时，GaN仅在PSS侧壁生长，c面无生长，晶粒取向不一，难形成单晶薄膜。溅射AlN成核层SEM趋势表明，溅射AlN使GaN在c面生长，抑制了侧壁生长，优化了晶体质量。LED外延结构及生长工艺：溅射AlN成核层溅射AlN成核层厚度对GaN影响

01LED外延结构采用不同厚度溅射AlN成核层，影响GaN晶面XRD摇摆曲线，优化晶体质量。

02生长工艺分析AlN成核层10-25nm，GaN（002）和（102）晶面半高宽变化，10nm时晶体质量显著下降。LED外延结构及生长工艺：复合成核层复合成核层优化GaN生长

LED外延结构使用溅射AlN成核层有效降低GaN缓冲层位错和应力，提升III族氮化物LED生产效率。

复合成核层介绍复合成核层技术，通过在c面蓝宝石上生长绿光LED，分析其对GaN生长和晶体质量的优化效果。LED外延结构及生长工艺：复合成核层TEM揭示复合成核层优势

01LED外延层TEM图像图10.44展示绿光LED外延层TEM双束明场像，位错主要为刃位错和混合位错，螺位错少。

02复合成核层效果复合成核层生长的绿光LED外延层位错密度低于溅射AlN成核层，证明其有效降低位错密度。LED外延结构及生长工艺：复合成核层HRXRD量化位错密度

LED外延层位错分析HRXRD分析绿光LED外延层，复合成核层位错密度低于溅射AlN，分别为65/188arcsec，有效减少刃位错和混合位错。

位错密度量化计算得复合成核层螺位错密度1.8×10^6cm^-2，刃位错密度1.9×10^8cm^-2，优于溅射AlN成核层，证实其降低位错效果。LED外延结构及生长工艺：复合成核层拉曼光谱评估应变状态

拉曼光谱特征显示GaN的E2(low),A1(TO),E2(high)模及蓝宝石A1g峰，E2(high)用于评估面内应变。应变状态分析E2(high)声子模红移，对应面内压应力，复合成核层有效降低绿光LED外延层残余应力至259.5MPa。LED外延结构及生长工艺：等电掺杂GaN缓冲层等电掺杂对GaN缓冲层影响

LED外延结构UVLED结构基于等电掺杂或未掺杂GaN缓冲层，生长于2英寸c面蓝宝石衬底，含15nm厚AlN成核层，缓冲层厚度2.5μm。生长工艺采用MOCVD法，使用TMGa、TMAl、TMIn、NH3为源，SiH4和Cp2Mg为掺杂源，氢气和氮气为载气，TMAl/(TMAl+TMGa)比0、0.02、0.04制备A、B、C样品。LED外延结构及生长工艺：等电掺杂GaN缓冲层掺杂Al对GaN缓冲层光学影响

01LED外延结构研究等电掺杂Al对GaN缓冲层光学透射率影响，通过调整TMAl流量，观察透射光谱变化，发现透射截止波长随Al掺杂量增加而微降，透射率在紫外波长范围内提升。

02PL光谱分析在300K下，不同TMAl流量下的GaN缓冲层PL光谱显示，带边峰发射随TMAl流量增加向更高能量移动，证实Al摩尔分数与TMAl流量正相关，样品B和C的Al摩尔分数分别为0.18%和0.77%。LED外延结构及生长工艺：等电掺杂GaN缓冲层等电掺杂对位错密度影响

GaN缓冲层摇摆曲线样品A、B、C的(002)FWHM:272、199、216弧秒，(102)FWHM:161、169、170弧秒，等电掺杂降低(002)FWHM。位错密度分析等电掺杂样品B、C螺旋位错密度低于样品A，三样品边缘位错密度相似。LED外延结构及生长工艺：等电掺杂GaN缓冲层

Al掺杂对载流子浓度影响为阐明等电掺杂Al对GaN缓冲层载流子浓度和迁移率影响，室温下进行霍尔测量，获电子浓度、迁移率和电阻率，参数总结于表10.6。LED外延结构及生长工艺：超晶格应力释放层紫外LED应力释放层优化

LED外延结构面内应力影响量子限制斯塔克效应，超晶格释放应力，提升紫外LED光电性能。

超晶格应力释放层优化前后AlGaN/InGaN超晶格对比，Al组分调整至6%，改善量子阱应力，增强发光效率。LED外延结构及生长工艺：超晶格应力释放层TEM表征与超晶格结构

LED外延结构外延片在图形化蓝宝石衬底上生长，含位错，由超晶格应力释放层、前置量子阱层、多量子阱有源区及电子阻挡层构成。超晶格应力释放层由30nm的AlGaN层和2.5nm的InGaN层组成，有效释放超晶格内部应力，提升LED外延结构性能。LED外延结构及生长工艺：超晶格应力释放层EL测试与光电性能分析

LED芯片光电性能影响EL、PL测试，XRD、拉曼光谱，分析Al组分影响，样品A、B峰值波长红移，电流增大致自热效应，禁带宽度减小，光子能量降低。

EL测试结果样品A、B在100mA电流下，EL峰值波长分别为371.9nm、368.5nm，属UVA波段，20mA电流下，峰值波长为368.7nm、366.8nm，电流增加引起红移。LED外延结构及生长工艺：超晶格应力释放层面内应力与光输出功率关系

01样品XRD摇摆曲线样品A与B在(002)面半高宽分别为202.15arcsec、200.48arcsec，在(102)面分别为184.10arcsec、179.08arcsec。

02位错密度计算样品A和B的总位错密度均为约2.6×10^8cm^-2，表明两者晶体质量相近，光输出功率差异非由晶体质量引起。

03光输出功率提升原因样品B光输出功率提升可能源于面内应力改善，减少量子限制斯塔克效应，促进辐射复合过程。LED外延结构及生长工艺：V形坑V形坑对绿光LED性能影响

LED外延结构引入InGaN/GaN超晶格致V形坑，影响绿光LED芯片光电性能，坑壁In浓度低，载流子局域态抑制非辐射复合。

V形坑特征V形坑呈倒金字塔，六面（10-11），随生长延伸至InGaN/GaN量子阱，高In组分材料亚稳态，波动形成载流子局域态。LED外延结构及生长工艺：V形坑绿光LED超晶格插入效果

01LED外延结构对比分析无超晶格与含In0.04Ga0.96N/GaN超晶格绿光LED，V形坑密度分别达1.54×10^8cm^-2和1.75×10^8cm^-2。

02V形坑尺寸影响超晶格插入后，绿光LED多量子阱表面V形坑直径由99nm增至280nm，表明超晶格显著影响V形坑尺寸。LED外延结构及生长工艺：V形坑超晶格对绿光LED性能提升

V形坑影响无超晶格时，V形坑致光谱双峰，主峰2.30eV，高能峰2.42eV，差120meV；插入超晶格，差增至233meV，势垒增高113meV。

载流子行为超晶格提升V形坑势垒，限制高能载流子越障，减少非辐射复合，优化CL图暗点分布。

加速电压效应加速电压增，电子束深穿，主峰蓝移，由顶至底InGaN量子阱发光转移，底阱压应力大。LED外延结构及生长工艺：超晶格预阱层预阱层结构与LED性能

LED外延结构采用MOCVD技术，在图案化蓝宝石基板上生长，LEDII引入超晶格预阱层，有效缓解量子斯塔克效应，提升发光效率。

超晶格预阱层设计由5对In0.05Ga0.95N(2nm)/GaN(10nm)构成，作为量子阱前缓冲层，厚度各异，区别于传统超晶格，优化LED性能。LED外延结构及生长工艺：超晶格预阱层LEDII的微观结构分析

01LEDII外延结构TEM图显示均匀厚度，清晰界面，V形坑延伸至多量子阱。

02多量子阱原子分布原子探针断层扫描，In与Ga原子分布明确，重建原子图清晰。LED外延结构及生长工艺：超晶格预阱层电学与光学特性对比

LEDI-V特性20mA下，LEDI电压2.39V，LEDII电压2.36V，预阱层微小影响电学特性。LEDL-I特性20mA时，LEDI光功率5.9mW，LEDII达13mW，预阱层显著提升黄光LED光输出。电致发光光谱变化电流增大，LEDI和LEDII峰值波长蓝移，LEDII蓝移程度小于LEDI，预阱层有效减弱内建电场。LED外延结构及生长工艺：超晶格预阱层

预阱层对残余应力的影响为解释预阱层对LED的影响，对LEDI和LEDII进行微拉曼测量，拉曼E2（H）模式可评判外延结构残余应力，预阱层位于GaN层和多量子阱之间。LED外延结构及生长工艺：阶梯形量子阱

阶梯形量子阱结构介绍阶梯形量子阱用于减少LED量子阱量子斯塔克效应，以黄光LED为例，通过保持生长温度不变、改变TMIn气体流速实现。阶梯形量子阱的仿真与分析利用SiLENSe仿真阶梯形和方形量子阱黄光LED，阶梯形量子阱电子-空穴波函数重叠率更高，可增加辐射复合速率，提高内量子效率，仿真展示内部电场对波函数的影响。阶梯形量子阱的性能优势阶梯形量子阱抑制量子斯塔克效应，单色性好、FWHM低，减少串联电阻，提高光输出功率。阶梯形量子阱的载流子行为与晶体质量阶梯形量子阱载流子快速衰变，缺陷减少；抑制相分离，提高晶体质量，实现高In掺入；光输出功率增强源于波函数重叠增加和晶体质量提升。LED外延结构及生长工艺：GaN/AlN堆叠势垒载流子传输调控

GaN/AlN堆叠势垒SLQB结构在LED中提升载流子注入效率，增加电子势垒高度，显著提高光输出功率。LED样品对比样品A与B对比，B在外延结构加入SLQB，由GaN/AlN组成，优化载流子传输，提升性能。LED外延结构及生长工艺：GaN/AlN堆叠势垒V形坑结构优化

LED外延层结构V形坑结构优化绿光LED，提升EQE，改善效率下降，促进空穴注入InGaN/GaNMQWs。

LED外延层材料对比InGaN层明亮，GaN层灰暗，显示良好晶体质量和周期性结构，In组分不均影响势阱层厚度一致性。LED外延结构及生长工艺：GaN/AlN堆叠势垒光电性能比较

LED发光特性注入电流影响发光波长，电流增加致蓝移，样