基于金属有机化学气相沉积的混合多量子阱发光二极管20001

基于金属有机化学气相沉积的混合多量子阱发光二极管20001

0系统结构多量床封装法近年来，gan基光光裕模块（light）的发展引起了人们的关注。由于它具有高效节能、绿色环保、体积小和寿命长等优点被誉为继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明光源。在LED照明领域的所有场合中,显色性已经越来越得到重视,特别是室内环境,对显色性要求更高。美国能源部(DOE)2009年12月就规定室内照明LED灯的显色指数必须大于80。欧盟制定了COST五年行动计划,提出新光源要符合三个条件:(1)高效、节能;(2)不使用有害于环境的材料;(3)模拟自然光,其显色指数接近100。而我国的LED照明设计标准中,也规定所有办公室和宾馆饭店LED灯的显色指数必须在80以上。目前市场上广泛销售的白光LED是蓝光芯片激发Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)荧光粉产生黄光与部分没有被吸收的蓝光耦合成白光发射,通过改变YAG:Ce荧光粉的化学组成和调节荧光层的厚度,可以调节白光LED的色温和显示性,这种白光封装方式在高色温情况下,光效和显色性较高,但是在低色温下,显色性就不太理想。特别是在色温低于5500K时,显色指数一般低于70。目前,通常实现高显色性的白光封装技术有四种:(1)RGB三基色芯片混色法;(2)近紫外LED芯片激发RGB三色荧光粉;(3)蓝光LED芯片激发RG荧光粉;(4)红光LED补偿法等。但是,这四种方案面临着无机荧光粉光致转换效率低、混色不均匀或芯片驱动复杂和显色指数(CRI)差等缺点。近来,无荧光粉的单芯片高显色性白光LED已有报道,主要是在同一个蓝宝石衬底上依次生长两种或三种InGaN/GaN多量子阱结构的LED,调节In组分来实现从蓝光到黄光的发射从而合成白光,然而,这些LED的电致发光光谱严重地依赖驱动电流的变化而改变,对其照明应用是非常不利的。Shi等人通过采用阵列式侧向界面的混合多量子阱的芯片制造技术实现了光谱稳定的无荧光粉单芯片白光LED,但是,相关LED的驱动电压较高。Park等人则在同一蓝宝石衬底上侧向生长不同发射波长的多量子阱结构的LED,实现了光谱稳定的无荧光粉的白光LED,可是相关制造工艺复杂不利于应用。最近,Mirhosseini等人通过模拟结果显示基于双蓝光波长芯片激发YAG:Ce荧光粉能够在保持流明效率的同时得到高显色指数的白光LED。我们采用混合多量子阱结构的GaN基双蓝光波长芯片激发YAG:Ce荧光粉实现了高显色性的白光LED,相关显色性达到88。与无荧光粉的白光LED类似,这种白光LED的发光光谱也随电流的变化而改变。由于GaN基材料空穴有效质量(1.1m0)高于电子的有效质量(0.2m0),因此,电子就更容易穿越活性层进入活性层顶部的量子阱层,甚至溢流出有源层进入p-GaN层,相反,空穴就比较难达到活性层靠近n-GaN侧的量子阱,这样电子空穴在活性层中分布非常不均匀,导致电子空穴复合发光发生在靠近p-GaN侧的几个量子阱内,David等人的光谱测量数据显示GaN基多量子阱蓝光LED电子空穴的复合区主要集中在靠近p-GaN侧的量子阱内。这种电子空穴分布不均匀对于单波长LED结构的电致发光(EL)光谱影响不大,但是对于混合多量子阱的双波长LED的EL光谱就产生非常严重影响。本文采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)系统在(0001)蓝宝石衬底上,分别生长含有p-AlGaN电子阻挡层和反对称n-AlGaN层的双蓝光波长发射的InGaN/GaN多量子阱发光二极管,通过在有源区量子阱中掺入不同组分的In获得双蓝光波长发射,研究这两种双蓝光波长LED结构的光电特性,并将这种双蓝光发射的芯片与YAG:Ce荧光粉封装成白光LED,实现了高显色指数白光发射。1带型led的双荧光定量和排汗结构利用ThomasSwan公司生产的MOCVD系统在(0001)蓝宝石衬底上分别外延生长含有p-AlGaN电子阻挡层和反对称n-AlGaN层的InGaN/GaNMQW双蓝光波长LED结构,LED结构如图1。三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)和氨气(NH3)分别作Ga、In、Al和N源并由氢气(H2)作载气。这两种结构的LED都是采用常规的两步法生长,如图1(a)所示,具有p-AlGaN电子阻挡层的双蓝光波长LED从衬底至外延层依次生长GaN缓冲层、2μm的μ-GaN、2μm的n-GaN层(掺杂浓度为5×1018cm-3)、混合多量子阱的活性层为两个周期的In0.18Ga0.82N/GaN量子阱和两个周期的In0.12Ga0.88N/GaN量子阱、15nm的p-AlGaN电子阻挡层(掺杂浓度5×1017cm-3)以及200nm厚的p-GaN层(掺杂浓度5×1017cm-3)。在本文中,我们提出去掉p-AlGaN电子阻挡层,而在活性层与n-GaN之间引入15nm的n-AlGaN层(掺杂浓度为5×1018cm-3),其它结构一样,见图1(b)。所有量子阱的阱层和垒层厚度分别为3nm和10nm。生长过程结束后,采用掩膜、光刻、腐蚀、电子束蒸发和ICP干法刻蚀技术等标准芯片制作工艺将两种样品制成300×300μm2尺寸的LED芯片。2空穴注入活性层图2(a)和(b)分别为p-AlGaN电子阻挡层与反对称n-AlGaN层的双蓝光波长LED在不同电流下的电致发光(EL)光谱。这两种LED都有明显的双蓝光峰发射,发射峰值分别在440nm和470nm,是分别来自In0.12Ga0.88N/GaN量子阱和In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的发射。从图2(a)和(b)明显看出n-AlGaN的引入能明显改善双蓝光波长光谱对电流的依赖性。对于具有p-AlGaN层的双蓝光波长LED,在低电流时其发射主要是来自蓝紫光In0.12Ga0.88N/GaN量子阱的发射,随驱动电流的增大,来自蓝光In0.18Ga0.82N/GaN量子阱的发射逐渐增强;当电流为40mA时,蓝光峰和蓝紫光峰的发射强度几乎一样,随电流的进一步增强,蓝光峰的发射强度逐渐大于蓝紫光峰。驱动电流从5mA到80mA的变化范围内,相关蓝紫光峰与蓝光峰的发射强度比值由4.3减小到0.90。另一方面,对于具有n-AlGaN层的LED在驱动电流由5mA增至80mA的范围内,其蓝光峰和蓝紫光锋的发射强度比值几乎不变,始终保持在1.0左右。这主要是由于p-AlGaN层虽然能起到阻挡电子溢出活性层的作用,但同时却阻挡空穴注入活性层,从而使得空穴在有源层分布非常不均匀,特别在小电流时这种现象非常明显,空穴跃过p-AlGaN层的阻挡到达其邻近的量子阱时,立刻复合发光,只有很少部分空穴能注入到靠近n-GaN侧的量子阱。当电流增大后,空穴的注入能力进一步增强,从而使靠近n-GaN侧的高In组分量子阱空穴浓度也逐渐增大,因此,蓝光峰的发光强度也逐渐增强。随着p-AlGaN层的移去和反对称n-AlGaN层的引入,显著提高了空穴从p-GaN侧注入活性层的能力,同时又能阻挡电子从n-GaN侧的注入,从而有效改善电子和空穴在混合多量子阱活性层中的分布均匀性及减少电子溢出,因此,实现了双蓝光峰均衡发射。n-AlGaN层的引入除了能改善双蓝光波长发射光谱的稳定性,还能显著提高器件的发光功率(如图3所示)。这两种双蓝光波长LED的发射功率都随驱动电流的增大先增大,然后逐渐减小,但是,在整个电流变化范围内,具有n-AlGaN层LED的发光功率始终大于传统p-AlGaN层LED的发光功率。为了进一步分析n-AlGaN层和p-AlGaN层对双蓝光波长LED光电性能的影响,运用CrosslightAPSYS软件对相关器件进行模拟分析。图4(a)和(b)表示分别模拟具有p-AlGaN电子阻挡层和反对称n-AlGaN层的双蓝光波长LED在20mA时的能带图、准费米能级分布图和载流子浓度分布情况。p-AlGaN层对电子起限制作用的同时又对空穴的注入起阻挡作用,这将会导致电子空穴注入非常不平衡。在图4(a)中,由于在GaN垒层、p-AlGaN电子阻挡层和p-GaN层之间存在很强的极化电场,导致p-AlGaN层和p-GaN层界面处价带形成空穴集聚的凹口(notches),而在GaN垒层与p-AlGaN层界面处价带形成了阻挡空穴注入的尖峰(spikes)。随电流的增大,这种效应对空穴的阻挡作用将加大,导致空穴浓度不足而电子浓度过剩的现象。另外,GaN垒层与p-AlGaN层之间的极化电场降低了导带处最后一个垒层的势垒,减弱了在大电流下对电子的限制。随着在活性层和n-GaN层之间引入n-AlGaN层和p-AlGaN层的移除,数值模拟结果发现价带的费米能级更接近量子阱的价带顶,而导带中的费米能级更远离量子阱的导带底,因此,n-AlGaN层的引入有效提高空穴注入的同时又减弱电子的注入。比较图4(a)和(b)还发现具有n-AlGaN层的LED活性层的各量子阱中空穴浓度均高于传统p-AlGaN层的LED,相应电子浓度都有明显的减小。所以,n-AlGaN层的引入能有效改善混合量子阱中电子与空穴分布的均一性,从而使各个量子阱对双蓝光发射都有贡献,减弱双蓝光波长发射光谱对电流的依赖性,这与图2的发射光谱结果非常一致。图5(a)和(b)分别表示具有p-AlGaN层和n-AlGaN层双蓝光波长芯片与YAG:Ce荧光粉封装成白光LED在不同电流驱动下的发射光谱。这两种白光LED的发射光谱都表现出三个发光峰,其中440nm和470nm的发光峰来自双蓝光芯片的电致发光,而570nm为YAG:Ce荧光粉吸收双蓝光产生的光致发光。从图5(a)和(b)明显看出具有p-AlGaN层双蓝光芯片与YAG:Ce荧光粉封装成白光LED的发射光谱随驱动电流的变化非常明显,而具有n-AlGaN层双蓝光芯片封装成白光LED的发射光谱却几乎不随电流变化。这主要是由于n-AlGaN层的引入能有效提高双蓝光波长芯片的光谱稳定性,这种稳定的光谱发射对照明应用非常重要。比较图5和图2发现,白光LED中的蓝光发射强度相对于蓝紫光有变小的趋势,这主要是因为YAG:Ce荧光粉的吸收峰的最大值在465nm,非常靠近蓝光发射峰,所以YAG:Ce荧光粉对蓝光峰的吸收比对蓝紫光峰的吸收要强。通过调节荧光粉的厚度和含量来分析双蓝光波长芯片与单蓝光波长芯片的荧光转换白光LED的显色指数随色温的变化情况,图6表示n-AlGaN层双蓝光波长芯片和单蓝光芯片与YAG:Ce荧光粉封装成白光LED在20mA电流驱动下的显色指数(CRI)随色温(CCT)的变化关系。从图中看到在3500K~8500K的相关色温变化范围内,基于双蓝光波长芯片的白光LED的显色指数明显高于单蓝光波长芯片的白光LED。单蓝光波长白光LED在相关色温为5023K时显色指数达到最大值77.8,然后下降到67.8(CCT=8500K)。而具有n-AlGaN层双蓝光波长白光LED的显色指数从3500K时的最小值77增大到6058K时的最大值91.8后缓慢下降,但是,仍然一直保持在85以上。双蓝光波长发射芯片能显著改善封装成白光LED的显色指数,主要是由于双蓝光波长芯片激发YAG:Ce荧光粉的白光LED能增加白光发射光谱的带宽(如图6内插图所示)。根据显色指数公式:Ra=18∑i=18RiRa=18∑i=18Ri,其中,Ri为1~8号试验色的光谱辐射亮度因数,分别对应淡灰红色、暗灰黄色、饱和黄绿色、中等黄绿色、淡蓝绿色、淡蓝色、淡紫蓝色、淡红紫色等8种颜色。从表1可以看出双蓝光芯片荧光转换的白光LED的R1~R8普遍高于单蓝光芯片的白光LED,特别是R3、R6、R7、R8,它们分别对应饱和黄绿色、淡蓝色、淡紫蓝色和淡红紫色等试验色。在6500K的色温下,基于双蓝光波长芯片封装的白光LED的显色指数为91,最大发光效率为58.3lm/W,相对于单蓝光芯片89.6lm/W还有一定的差距。但是,YAG:Ce荧光粉由于具有化学性能稳定、发射光谱宽(80~100nm)、荧光量子效率高、寿命长、熔点高和抗老化性能强等特点,所以在不改变任何现有白光LED制造工艺的情况下通过对蓝光波段发射芯片进行结构设计,实现基于YAG:Ce单组分荧光粉的高显色性白光LED制造技术具有重要意义,通过对双蓝光波长发射芯片的外延生长和芯片制备技术的优化,这种白光LED的发光效率还有很大的提升空间。3基于双荧光发射芯片的电子空穴控制利用MOCVD系统在蓝宝石衬底上分别制备了具有传统p-AlGaN层和反对称n-AlGaN层的双蓝光波长LED,实现了双蓝光波长发射,并对这两种双蓝光波长发射LED的光电性能进行了