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1、低温下GaN基LED发光机制分析,LED的发展,在20世纪最后十年间，半导体相关的材料技术、微芯片技术的快速发展使得LED照明技术的性能得到了大幅度的提升，在1994年日本科学家中村秀二通过在GaN基片上研发了一款蓝光半导体，这使得GaN技术在LED领域的应用走入了一个高点，GaN基端的LED产品能够实现高亮度、全色彩的发光需求。2014年4月1日在墨西哥，前贝尔实验室的研究员，GaNgleOptronix Ltd 首席技术官、博士Hyam基德，在加勒比海“设备，电路，和系统(ICCDCS2014)IEEE国际会议”上，宣读了一篇关于新型LED生产线的论文，发布了白光功率LED发光效率达到30
2、0lm/W。可见，半导体照明产业正向更高光效、更低成本、更多种类和更广泛应用方向发展。,LED相关理论,发光二极管原理 半导体二极管发光器件的主要组成结构是P-N结，是通过两端的电子注入而进行发光，半导体材料一般是采用带隙材料，本课题研究的GaN就是属于带隙材料。,LED效率,LED的效率包含的范围有量子效率、发光效率、光提取效率等。量子效率：量子效率是指LED在实际工作过程中，发光的电子由于内部吸收和损耗而对理论的发光光子输出量造成的影响。量子效率可以分为内外两种。内量子效率外量子效率发光效率：发光效率表示的是LED发光系统将吸收的光子能量转换为输出光能的效率，计量单位是1m/W等等,InG
3、aN/GaN MQWs LED的光学性质的测试和分析,光致发光测试：光致发光，牵涉到一个由电磁(Electro-Magnetic)辐射激发的系统，在分类上是属于光学发光的技术。当入射光(电磁辐射)照射在样品上时，导致电子被升高至激发态，描绘如图，典型的能带跃迁过程。自从雷射可用来提供足够的功率激发适当的讯号后，入射光典型地来自于雷射光源(能量)。当激发态电子返回初始能态时，它会生一个光子(能量)，也可能产生许多的声子(能量)。由量守恒，可将其表示为方程式（雷射光源） （光子） （声子）,光致发光可用来观察较块状半导体复杂成份结构的样品。它可用来研究样品成长的好坏，及证实成长的成份。这是因为借由
4、光致发光量测变化可知杂质与结构上不同的能量差异。如能带图所示:(a),(b)光吸收过程与(c),(d)光致发光。图(b)中指光吸收过程需要光子和声子(x)。图(c)和(d)呈现除了光子放射外(PL)，声子的放射是会发生的(*)，因为和光激发的长度有关，另外，对间接能隙(d)而言，声子的放射(o)为了动量守恒。,时间分辨PL（TRPL）测试,半导体材料的能带结构、掺杂离子、晶体质量、缺陷状态严重影响着载流子的复合过程。通过TRPL测试，可以得到样品的载流子寿命，从而分析以上性质对载流子复合过程的影响。TRPL测试系统采用的是时间关联单光子计数方法（Time Correlated single p
5、hoto counting，TCSPC）来测量载流子寿命。其原理是使用微弱脉冲光源激发样品，同时记录脉冲光源激发的初始时间，使荧光进入单光子探测仪，每次脉冲激发记录特定波长的光子，将单荧光光子出现的时间和脉冲激发初始时间的间距记录下来，多次计数，得出特定波长荧光光子的时间分布，即为光强随时间的衰减曲线。,InGaN/GaN多量子阱发光的机制,如图分别InGaN/GaN量子阱在未加极化电场，加上极化电场以及高载流子注入时的能到结构对比图，如（a）,（b）所示，加上电场后，有效禁带宽度比未加时小，而（c）在大电流注入时，载流子屏蔽了部分的极化电场，使得量子阱的禁带宽度变大，从而出现发光波长蓝移的现
6、象。从（b），（c）中我们可以看到，及极化场会使得电子空穴波函数分别往量子阱的两侧偏移，降低电子空穴的复合几率，从而降低内量子效率。,低温下GaN基LED性能分析,如图所示，这是我们在低温25K下测试的在不同的电流下的绿光光谱图，随移，但是蓝移到一定的程度后又开始红移。且从中我们可以看出，在大电流下，其半波宽是明显展宽的，特别是在500mA后光谱的形状发生了明显的改变，光谱的峰值波长出出现了尖峰。,光效分析图,在图中，我们通过测试从25K-300K中的光谱来分析droop效应，上图所示的是在350mA下不同温度下的光谱。从上图中，我们可以看到，随着温度的上升，光功率是整体下降的，而且还发生了略
7、微的红移，有一种整个光谱被压缩的感觉。且从光谱峰值波段看，其有明显变平的趋势，且光谱的光滑度降低。,外量子效率随电流变化趋势,图所表示的是在不同温度下，外量子效率（EQE）随电流变化的趋势图，在上图中，我们可以看到，温度越低，其EQE是越高的，且在温度达到120K后这种趋势更加明显，在更低温下虽然也有这样的趋势，但EQE曲线在小电流是的重合度较高，而且下降的电流点随着温度的升高上升了。特别地对于小电流时，随着温度的上升，其EQE的上升斜率变大了，在25K时，EQE在小电流时已经变成了一条直线。,实验解释,我们讨论的重点是对于大电流下EQE下降，从上面的实验数据的分析，先从图3上看，在低温小电流
8、下，其EQE是平的，通过查阅相关的文献，我们知道在低温小电流下，局域态的影响非常大，所以在小电流下，其局域态对发光复合起的主要作用，但同时随着电流的逐渐增大，解局域态是越来越明显的，所以即使在低温下EQE也不会继续上升而是持平，而随着温度上升，开始了解局域态，所以EQE普遍下降。而对于后面的droop点而言，发生在30mA-70mA，此时对于半导体而言，其发光机制应该主要是以带边辐射为主的，所以此时应该与量子阱中的束缚态相关，光效下降的原因有很多，但我们猜测引起其变化的主要原因是因为载流子的溢流，从图2的光谱中我们可以看到，随着温度升高，在峰值波长段，其光谱变得没有低温下这么平坦，我们猜测对于
9、大电流而言，其能束缚在量子阱里面的电子数是有限的，所以在注入浓度达到一定的值后，更多的注入载流子并不能引起辐射复合的增加，反而导致了电流溢出的现象产生，溢出的电流直接从n区中跑到了p区，且从图1中我们可以看见，不同电流下的半波宽是增加的。主要的原因是随着电流注入的增大，量子阱中占据的态也相对变大，与此同时，费米能级也上升了，所以在量子阱中占据的态也变多了，且逐渐向峰值波长靠拢，所以展宽的部分基本就是由于费米能级的变化而产生的。,实验解释,对于droop的电流点随着温度的上升逐渐变大，与我们解释的droop原因相对的，也可以归结为因为量子阱中束缚态的影响，因为束缚态的多少与温度之间的原因也是密不
10、可分的，随着温度的升高，束缚态的浓度对温度的敏感程度变低，所以在温度升高时，其量子阱中束缚态达到饱和的极限值时的注入电流反而变高了。此外，在图1中，随着电流增大，其光谱的峰值发生了蓝移，对于此我们给出的解释是因为在电流增大的同时，电压也变大了，所以导致了能带也发生从了倾斜，随着倾斜的程度越大，其发生辐射复合的能带中心在不断上升，而就有了蓝移的现象，而随着电流的继续增大，它又开始红移，这时的主要原因可能是因为管子自身发热而导致了结温并不能稳定在我们设定的温度，所以是温度导致的红移。,致谢,随着论文的截稿也预示着我四年的大学学习生涯即将画上句号，在大学的学习生活给我的人生带来了巨大的影响，前半段的学习并不认真的我，越发的知道对生活的态度决定我们以后的生活方式。在此毕业之际，向陪我度过四年学习生涯的老师和同学表示感谢。感谢朱丽虹老师对我的耐心指导，以及提供了众多资料。我专业知识并不擅长，多亏了朱丽虹老师及她的学生我才能完成这次的论文。最后，感谢为本文的研究提供文献参考的前辈，感谢你们为我提供的研究材料，使得我在课题的研究上有所启发。同时，感谢各位老师以及同学的四年多的朝夕相处，碰到问题互相探讨、团结合作，给予我很大的帮助。,
