氮化镓在发光二极管应用.docx

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1、一、引言普通灯泡价格虽然便宜，但效率低，只有大约5%的能量转换成光，其余的都以热量形式散发掉了，每1000小时就需要进行更换。在这样的条件下我们需要一种效率高，寿命长，基于这样的条件下我们的LED灯就诞生了，但对于LED灯的各方面并没有十全十美，还有一些问题需要进行一些研究，对LED灯进行改进，让它的性能得到进一步的提升，更好的造福于人类。二、简介发光二极管，即LED是一种把电能转换成光的半导体发光器件。GaN基的材料由于其特有的物理性能1,被广泛地用于制作从绿光到紫外不同波长的发光二极管。LED光源同传统光源相比的优点： 节能：直流电驱动，功耗低，电光效率转换接近100%,相同的照明效果比传

2、统的光源节能80%o 寿命长：采用固体封装，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰退等缺点，使用寿命达5万小时以上。 环保：光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，废弃物可回收，不含汞元素，冷光源。三、氮化钱的结构GaN是第三带半导体的典型代表，是一种重要的HIT族化合物半导体材料。其化学键主要是共价键，但由于N和Ga在电负性上的较大差别，在化学键中有相当大的离子键成分，它决定了各种晶体结构相的稳定性2。在通常条件下，氮化钱晶体有三种晶体结构：六方对称性的纤锌矿结构（图3.1）和立方对称性的闪锌矿结构（如图3. 2）,结构表示网如下图所示：图3. 1纤锌矿结构图3. 2闪锌矿结构四、氮化钱

3、的性质GaN基材料具有非常高的稳定性，其分解温度高达105（C,可用于制备耐高温器件。另外，GaN基材料还具有耐腐蚀的特性，室温下不溶于酸，碱，水等,但是在加热的条件下碱可以腐蚀GaN中的缺陷，这种现象也被人们用于测试GaN基材料中的缺陷密度。GaN材料在工作中产生的热量少，而且其击穿电场非常的高，适合用于制备大功率电子器件。GaN材料由于其中心不对称的结构，使得其具有非常强的极化效应，这种效应非常适合制备高电子迁移率器件。五、氮化钱基LED芯片的制备1、氮化钱的制备对于氮化钱的研究4在上世纪六十年代就已经开始并首次用化学气相沉积方法在蓝宝石成功制备出氮化钱的单晶外延薄膜。首先，在低温500下

4、，在衬底于沉积厚度为几十纳米的AIN,再把温度升到1000沉积GaN薄膜，AIN缓冲层上生长GaN的过程如下：(1) ANN粒状结晶GaN核的生成；(2) GaN岛状结晶的发生；(3)横向生长以至结合成为整体薄膜；(4) GaN层的生长。2、氮化钱基LED芯片的制备早在2007年华东师范大学姚雨5对于氮化线的外延生长、LED芯片的制造工艺进行了研究，她运用了两种方法进行了氮化钱基芯片的研究分别为用：一是透明1TO薄膜代替半透明的Ni/Au金属薄膜作为LED的电流扩展层，制备了 GaN基发光二极管，并研究了它的电学性能和光学性能。在相同的驱动电流下，TTO/LED具有更高的光输出功率。同时，IT

5、O/LED保持了很好的可靠性。经过1000小时的30毫安的驱动电流的老化，IT0/LED的光输出功率仍然在初始功率的80%以上。二是应用ICP干法刻蚀和自然光刻技术，粗化GaN基LED芯的透明导电薄膜1T0。实验结果表明，粗化的ITO表面极大地改善了 GaN基LED芯片的出光效率。在20mA的直流驱动下，ITO表面粗化过的LED与传统的LED相比，发光强度提高了 70%o六、氮化钱在LED方面的研究1、氮化株基发光二极管的低频噪声研究对于GaN基产业在材料生长和器件制备中存在一系列的材料物理问题，致使其器件中存在着很多的缺陷，而直接影响器件的性能和应用。低频噪声是导致器件失效的各种潜在缺陷的敏

6、感反映，同时噪声检测方法具有灵敏、普适、快速和非破坏性的特点。2008年苏亚慧3研究时选取GaN基光电器件一发光二极管为代表，进行了 Y辐照实验，测试了辐照前后的电学特性和低频噪声特性,通过对比实验前后两者特性的变化，提取了相关的表征参量，并建立了可表征其辐照损伤的电学模型和低频噪声模型，旨在为将低频噪声用于GaN基材料及器件的可靠性表征提供新的参量。2、氮化锡基发光二极管光电特性的仿真模拟在改善氮化钱基发光二极管的光电特性方面仍有许多内容需要研究。2013年杨凯依据kp方法等半导体理论对发光二极管的光电特性进行仿真模拟,这是一种快捷可靠的方法，有助于从能带、载流子分布等微观物理现象上对器件进

7、行理论研究分析,在研究时对正序结构和倒序结构进行了研究，并得到这样的结论：与正序结构相比，虽然具有较大的开启电压，但是倒序结构量子阱中载流子分布均匀、内量子效率更高、发光功率更高等突出优点。3、氮化锡基发光二极管抗静电性能改进的研究GaN基LED经常受到静电放电而造成的损害，导致器件性能降低，使用寿命减少甚至完全破坏。因此，提高发光二极管的抗静电放电性能，对器件的可靠性有着重要影响。2013年刘伟口在研究是提出了提高氮化钱基LED抗静电性能的基本思路主要有俩种：一是为器件增加并联分流电路，减少静电放电时流经器件的电流;二是提高GaN材料的结晶质量，降低缺陷密度，增强电流扩展效果，获得更均匀、更

8、小的局部电流密度。对于提出的思路他有针对性地对两个思路进行了研究，但更多的侧重于第二种思路的研究，且得到了这样的方法来改进发光二极管抗静电性能：通过提高GaN生长温度改善结晶质量，调整P-AIGaN电子阻挡层厚度来减少缺陷，多量子阱垒区的掺杂Tn来释放应力提高结晶质量，生长超晶格结构以增强电流扩展效果，切割出ESD保护二极管作分流电路减小放电电流来减少材料中的缺陷密度、扩展电流分布来提高发光二极管的ESD性能的方法。4、氮化株基发光二极管电流输运和可靠性研究在一些大规模商业化应用中仍受到各种电学可靠性的限制，如过剩漏电流,高电场下的电学退化和击穿行为，以及大注入电流下的效率下降问题等。因此,深入研究此类可靠性问题，揭示其内部的物理机制，对进一步推动GaN基LED在照明、显示、光通信和检测等领域的应用具有重要的科学意义和实用价值。2018年赵琳姗网针对GaN基LED的上述电学可靠性问题进行系统的测试与分析，深入探究其物理本质，给出改善器件性能的可行方法。通过理论与实践相结合的方法，对LED的电学性质、光学性质和一些重要的电学可靠性问题进行了较深入的研究，提出了一些新的见解，并基于研究成果给出了改善GaN基LED器件性能的建议。