雙波長(zhǎng)發(fā)射發(fā)光二極管的光致發(fā)光和電致發(fā)光性能

0氮化物紫外光led系統(tǒng)近年來(lái)，由于能源光譜光譜燈的高性能、高性能、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已被稱為繼路燈、紅光和氣體發(fā)射后的第四代照明光源。它被廣泛應(yīng)用于遮蔽、手機(jī)、相機(jī)等領(lǐng)域。隨著以光為光的行業(yè)照明行業(yè)的快速發(fā)展，光光燈代表了巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景，引起了各國(guó)政府、研究機(jī)構(gòu)和公司的高度關(guān)注。在美國(guó)、日本和歐洲，向美國(guó)、日本和歐洲注入了大量資金，并設(shè)立了促進(jìn)小組和發(fā)展的特別機(jī)構(gòu)。目前實(shí)現(xiàn)氮化物白光LED廣泛采用的方案有兩種:1)以InGaN基藍(lán)光或紫光LED為基礎(chǔ)光源,通過(guò)熒光粉實(shí)現(xiàn)熒光下轉(zhuǎn)換;2)多芯片混色的白光LED.由于后者發(fā)光全部來(lái)自發(fā)光二極管,因此,制作成本較高,另外由于三種顏色發(fā)光二極管之間老化特性的差異,常導(dǎo)致發(fā)光過(guò)程中變色.目前廣泛采用InGaN基藍(lán)光或紫光LED加熒光粉的方法,但是無(wú)機(jī)熒光粉面臨著光致轉(zhuǎn)換效率低及色散指數(shù)(CRI)低等缺點(diǎn).此外,無(wú)熒光粉的單芯片白光LED也已有報(bào)道.主要是在同一個(gè)藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)兩種或三種InGaN/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)組分來(lái)實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到紅光的發(fā)射從而合成白光,然而,InGaN/GaN基LED的紅光部分發(fā)光效率較低,導(dǎo)致相關(guān)白光LED發(fā)光效率遠(yuǎn)低于藍(lán)光加熒光粉的白光LED的效率.最近,Mirhosseini等人通過(guò)模擬結(jié)果證實(shí)了利用雙藍(lán)光波長(zhǎng)LED涂覆YAG:Ce熒光粉能夠在保持流明效率的同時(shí)得到高顯色指數(shù)的白光LED.本文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition,MOCVD)系統(tǒng)在(0001)藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了雙波長(zhǎng)的InGaN/GaN多量子阱LED結(jié)構(gòu),通過(guò)在有源區(qū)量子阱中摻入不同組分的In獲得雙波長(zhǎng)發(fā)射,研究了雙波長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu)的光電特性,并用雙藍(lán)光發(fā)射的芯片來(lái)激發(fā)YAG:Ce熒光粉實(shí)現(xiàn)了高顯色指數(shù)白光發(fā)射.1電子阻擋層和n-gan層利用ThomasSwan公司生產(chǎn)的MOCVD系統(tǒng)在(0001)藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了兩種不同的InGaN/GaNMQW雙波長(zhǎng)LED結(jié)構(gòu),樣品結(jié)構(gòu)如圖1.三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)分別作Ga、In、Al和N源并由氫氣(H2)作載氣.樣品A和樣品B都是采用常規(guī)的兩步法生長(zhǎng),在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)GaN緩沖層、GaN未摻雜層和n-GaN層(摻雜濃度4×1018cm-3),然后生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱有源層,最后生長(zhǎng)一層厚的作為電子阻擋層及200nm厚的p-GaN層.樣品A有源層依次由5個(gè)周期的In0.08Ga0.92N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱和1個(gè)周期的In0.18Ga0.82N(3nm)/GaN(10nm)量子阱組成;樣品B有源層依次為3個(gè)周期的In0.08Ga0.92N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱和In0.21Ga0.79N(3nm)/GaN(10nm)/In0.08Ga0.92N(3nm)/GaN(10nm)/In0.21Ga0.79N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱.樣品A和B有源層中量子阱的個(gè)數(shù)都是6.SiH4和Cp2Mg分別作為n和p型摻雜劑.生長(zhǎng)過(guò)程結(jié)束后,采用掩膜、光刻、腐蝕、電子束蒸發(fā)和ICP干法刻蝕技術(shù)等標(biāo)準(zhǔn)芯片制作工藝將兩個(gè)樣品制成350×350μm2的LED芯片.光致發(fā)光(PhotoLuminescence,PL)光譜測(cè)量是在iHR550(HoribaJobinYvonInc.)光譜儀上進(jìn)行,激發(fā)光源為325nmHe-Cd激光器.LED器件的光電特性是在PMS-50(EverfineCo.)LED綜合測(cè)試儀上測(cè)量.所有測(cè)量均在室溫下進(jìn)行.2不同電流下led光特性圖2是測(cè)量?jī)蓚€(gè)樣品的PL譜歸一化后得到的結(jié)果.樣品A和樣品B都有兩個(gè)相同的光致發(fā)光峰,其中365nm是GaN材料的本征發(fā)射峰,430nm峰對(duì)應(yīng)In0.08Ga0.92N(3.0nm)/GaN(10nm)多量子阱的發(fā)射峰.樣品A中470nm峰對(duì)應(yīng)In0.18Ga0.82N(3.0nm)/GaN(10nm)量子阱的發(fā)射,而樣品B中512nm峰則對(duì)應(yīng)In0.21Ga0.79N(3.0nm)/GaN(10nm)量子阱的發(fā)射.總體看來(lái),兩個(gè)樣品的430nm發(fā)射峰相對(duì)強(qiáng)度較大,這主要是因?yàn)檫@組量子阱的數(shù)量較多.樣品B中512nm的發(fā)射強(qiáng)度與樣品A中470nm的發(fā)射強(qiáng)度相當(dāng),這可能是由于生長(zhǎng)高In組分量子阱需要較低的生長(zhǎng)溫度,產(chǎn)生了In原子的聚集導(dǎo)致形成了大量的位錯(cuò),因而發(fā)光強(qiáng)度下降.在PL光譜圖中可以看到振蕩現(xiàn)象,這是由于襯底與外延層之間的折射率差較大而引起的法布里-珀羅干涉結(jié)果.圖3(a)表示樣品A的發(fā)光二極管在不同注入電流情況下的電致發(fā)光譜.在非常低電流注入時(shí),樣品A的電致發(fā)光主要位于430nm,而470nm的發(fā)射相對(duì)較弱,當(dāng)在注入電流小于40mA時(shí),這兩電致發(fā)光發(fā)射峰的相對(duì)強(qiáng)度基本上保持不變.隨著注入電流大于40mA后,470nm的發(fā)射峰逐漸增強(qiáng),當(dāng)達(dá)到80mA時(shí),430nm和470nm兩電致發(fā)光發(fā)射峰的相對(duì)強(qiáng)度基本相當(dāng).樣品A在增大注入電流情況下In0.08Ga0.92N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱的發(fā)射峰稍有紅移,In0.18Ga0.82N(3nm)/GaN(10nm)發(fā)射峰相對(duì)強(qiáng)度逐漸增大.樣品B的發(fā)光二極管在不同電流作用下的電致發(fā)光譜如圖3(b),在電流小于40mA時(shí)樣品B有兩個(gè)明顯的電致發(fā)光峰,其中,430nm為In0.08Ga0.92N(3nm)/GaN(10nm)多量子阱的發(fā)射,而510nm則為In0.21Ga0.79N(3nm)/GaN(10nm)量子阱的發(fā)射.隨驅(qū)動(dòng)電流的增加,來(lái)自In0.08Ga0.92N(3nm)/GaN(10nm)量子阱的發(fā)射逐漸變?nèi)?而In0.21Ga0.79N(3nm)/GaN(10nm)量子阱的發(fā)射逐漸變強(qiáng).當(dāng)電流大于60mA后,樣品B的發(fā)射主要來(lái)自In0.21Ga0.79N(3nm)/GaN(10nm)量子阱的發(fā)射,同時(shí),該量子阱的發(fā)射峰隨電流的增大表現(xiàn)出明顯的藍(lán)移.這主要是由于當(dāng)外加電流增大時(shí),In0.21Ga0.79N(3nm)/GaN(10nm)量子阱中由載流子濃度增大引起的庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)減小了極化效應(yīng)引起的能帶傾斜程度,導(dǎo)致發(fā)光峰會(huì)藍(lán)移.隨驅(qū)動(dòng)電流的增大,樣品A和B的偏綠發(fā)射峰與430nm發(fā)射峰的相對(duì)強(qiáng)度都變強(qiáng),樣品A的相對(duì)發(fā)射強(qiáng)度從0.36增大到1.1,而樣品B的相對(duì)發(fā)射強(qiáng)度從0.74增大到20.在低電流情況下,LED活性層中電子和空穴能均衡復(fù)合,在阱寬和壘寬都相同的情況下低In組分的量子阱數(shù)目多因而其發(fā)射強(qiáng)度就大,另一方面,由于高In組分的量子阱靠近p-GaN側(cè),GaN材料的空穴的遷移率小于電子的遷移率,所以隨注入電流的增大,電子和空穴大量地聚集在靠p-GaN側(cè),來(lái)自高In組分量子阱發(fā)射就顯著增強(qiáng).隨高In組分量子阱數(shù)增大,其電致發(fā)光峰隨電流變化也變得很不穩(wěn)定,這對(duì)于照明應(yīng)用來(lái)說(shuō)是很不利的.圖4表示相應(yīng)樣品A和B發(fā)光二極管的輸出光功率隨注入電流的變化關(guān)系.從圖中可以看出,兩樣品的光功率都隨注入電流的增大先增大,然后減小,樣品A的光功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于樣品B的光功率.在20mA下樣品A和樣品B的光功率分別是9.27和0.234mW,樣品A的飽和電流是70mA,相應(yīng)的光功率為21.8mW,而樣品B的飽和電流是50mA,相應(yīng)的光功率只有1.27mW.主要是因?yàn)楹逫n組分量子阱的樣品B在生長(zhǎng)生過(guò)程中產(chǎn)生了In原子的聚集效應(yīng)類似于文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果這種原子的聚集導(dǎo)致位錯(cuò)較多,降低了器件的光輸出功率.圖5是樣品A制得的發(fā)光二極管用Y3Al5O12:Ce3+(YAG∶Ce)熒光粉封裝后在不同注入電流下的白光LED的發(fā)射光譜.白光LED的發(fā)射光譜表現(xiàn)為三個(gè)光譜,其中430nm和470nm的發(fā)光峰來(lái)自樣品A芯片的電致發(fā)光,550nm為YAG∶Ce熒光粉吸收藍(lán)光產(chǎn)生的光致發(fā)光.比較圖5和圖3(a)發(fā)現(xiàn),隨電流的增大,在白光LED中來(lái)自470nm發(fā)射峰的強(qiáng)度變?nèi)趿?主要是由于YAG∶Ce熒光粉的吸收最大值在470nm左右,所以470nm發(fā)射峰被熒光粉吸收強(qiáng)度比430nm發(fā)射峰大.當(dāng)正向注入電流為20mA時(shí),白光LED的色坐標(biāo)CIE1931是(0.280,0.258),顯色指數(shù)和流明效率分別達(dá)到75和27.9lm/W.注入電流升至80mA時(shí),其顯色指數(shù)可以達(dá)到88,這個(gè)值非常接近文獻(xiàn)報(bào)道的理論計(jì)算結(jié)果.這說(shuō)明用雙藍(lán)光發(fā)射芯片來(lái)激發(fā)YAG∶Ce熒光粉可以實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的白光LED,與傳統(tǒng)的單藍(lán)光激發(fā)YAG∶Ce熒光粉的白光LED發(fā)光效率相比還有一些差距,這需要對(duì)雙藍(lán)光波長(zhǎng)發(fā)射的外延生長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,本課題組正在開(kāi)展相關(guān)研究.3雙紫外光發(fā)射led的合成利用MOCVD系統(tǒng)在藍(lán)