GaN基薄膜材料對器件光電性能的影響研究

陳席斌，馬淑芳,2，董海亮，2，梁　建，許并社

(1.太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)(2. 北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京 010100)

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第一作者：陳席斌，男，1990年生，工程碩士

GaN基薄膜材料對器件光電性能的影響研究

陳席斌1，馬淑芳1,2，董海亮1，2，梁建1，許并社1

(1.太原理工大學(xué) 新材料界面科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)(2. 北京工業(yè)大學(xué) 激光工程研究院，北京 010100)

摘要：采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法在藍(lán)寶石襯底上外延生長GaN基材料，設(shè)計并優(yōu)化外延生長條件，探索單層N型GaN(N-GaN)、多量子阱(MQW)、電子阻擋層(P-AlGaN)、P型GaN(P-GaN)材料對發(fā)光二極管(LED)器件的光電性能的影響。通過X射線衍射儀(XRD)、電致發(fā)光譜(EL) 、光致發(fā)光譜(PL)等測試設(shè)備對外延片進(jìn)行表征。結(jié)果表明：經(jīng)優(yōu)化Si摻N-GaN和壘層(QB)，獲得較好的(102)、(002)半峰寬，正向電壓從4.46 V分別降至3.85 V、3.47 V，發(fā)光強(qiáng)度從4.86 mV提高到6.14 mV。然后對P型AlGaN層進(jìn)行Mg摻雜優(yōu)化，正向電壓下降至3.35 V，發(fā)光強(qiáng)度提高到6.14 mV。最后對P-GaN層進(jìn)行了生長溫度及退火溫度的優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)正向電壓從3.16 V提高至3.32 V，發(fā)光強(qiáng)度提高至6.70 mV左右。全自動探針臺在測試電流20 mA的條件下，對芯片的電壓和發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行了測試，電壓大致從4.5 V降到3.8 V左右，下降了16%。發(fā)光強(qiáng)度大概從110 mcd提高到135 mcd，提高了20%左右。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論綜合分析，解釋了N-GaN層和QB層Si摻量，P-AlGaN 層Mg摻量，P-GaN層生長溫度及活化溫度對正向電壓和亮度的影響，從而為高質(zhì)量GaN薄膜材料外延生長及高性能的LED提供了更好的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與理論支持。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管;GaN；正向電壓；發(fā)光強(qiáng)度

1前言

高亮度GaN基LED器件是一種冷光源，它具有體積小、發(fā)光效率高、響應(yīng)時間短、綠色環(huán)保節(jié)能、使用壽命長(使用壽命可達(dá)10萬h左右)等特點(diǎn)[1]。因此，在室內(nèi)外照明、汽車照明及交通信號燈、LCD背光源、顯示屏等方面有著廣泛的應(yīng)用。目前，半導(dǎo)體照明技術(shù)隨著生產(chǎn)工藝技術(shù)水平的提高和未來能源節(jié)能的趨勢，高亮度低能耗的LED器件將成為未來綠色光源時代的主體。但是LED器件的光電性能參數(shù)直接制約著LED產(chǎn)品在市場的應(yīng)用及發(fā)展[2]。

藍(lán)光LED芯片的尺寸大小、波長范圍、工作電壓、反向漏電流、半波寬度，最大電流、亮度等光電性能參數(shù)是直接影響LED器件的關(guān)鍵因素。根據(jù)芯片的光電性能參數(shù)不同可以應(yīng)用于不同類型的產(chǎn)品。其中芯片的工作電壓和亮度是表征芯片質(zhì)量的最關(guān)鍵參數(shù)，因此，低工作電壓和高發(fā)光強(qiáng)度的LED器件是高質(zhì)量產(chǎn)品參考指標(biāo)的前提條件。低的工作電壓表明LED器件的內(nèi)阻較小，在器件正常工作時產(chǎn)生的熱量就越小，LED器件的散熱問題一直是芯片封裝工藝的關(guān)鍵因素[3]。器件產(chǎn)生的熱量越小器件本身的溫度就越低。LED芯片PN結(jié)點(diǎn)處的溫度(結(jié)溫)直接影響LED器件的壽命，同時，隨著溫度的升高LED器件的亮度也隨之衰減，發(fā)光均勻性、一致性變差，因此低的工作電壓顯得尤為重要[4]。與傳統(tǒng)熒光燈相比，LED器件發(fā)光效率高，目前LED白光光源產(chǎn)品的光效是120 lm/W，而理論值大約330 lm/W。因此，藍(lán)光LED發(fā)光效率的提高才能使新的綠色能源在市場中體現(xiàn)更高社會價值和經(jīng)濟(jì)價值。

本文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的方法制備了GaN基外延片，經(jīng)過芯片工藝加工成7 mil×9 mil芯片，進(jìn)行光電性能測試。結(jié)果表明，通過優(yōu)化外延生長工藝，LED芯片的光電性能得到了明顯的改善，降低了LED芯片的正向電壓，其發(fā)光強(qiáng)度也得到明顯提高。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1外延片的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為LED外延生長的標(biāo)準(zhǔn)樣品(標(biāo)樣)結(jié)構(gòu)示意圖，設(shè)計了LED全結(jié)構(gòu)的各個單層的參數(shù)，為了更好地對器件的光電性能優(yōu)化、分析，工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)是在標(biāo)樣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上外延生長。

圖1　外延片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　The illustration structure of epitaxial wafer

2.2外延片的制備

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的外延片結(jié)構(gòu)(標(biāo)樣)依次生長的過程為：在藍(lán)寶石襯底(Substrate)上兩步法生長外延GaN緩沖層，具體為低溫550 ℃外延～30 nm GaN緩沖層(nucleation)，高溫1 035 ℃外延～2.2 μm未摻雜GaN層(U-GaN)。高溫1 055 ℃外延生長摻入Si的N-GaN層，載流子濃度為5.2×1018cm-3，提供電子注入。外延生長周期數(shù)為6的MQW結(jié)構(gòu)，在高溫824 ℃生長12.5 nm的QB層，高溫740 ℃生長2.5 nm QW層，提供輻射復(fù)合中心，使電子和空穴在其中復(fù)合發(fā)光。生長的前4個周期的QB摻Si，后2個周期的QB不摻Si。高溫850 ℃生長～50 nm摻Mg的P-AlGaN，高溫940 ℃生長～85 nm摻Mg的P-GaN層，載流子濃度1.0×1017cm-3，提供空穴注入。在P-GaN的生長的條件下，增加Mg的流量，生長20 nm的金屬接觸層(Contact)。在標(biāo)樣的基礎(chǔ)上優(yōu)化N-GaN的Si摻雜，Si流量的分別為16.51、19.81、22.68 sccm。結(jié)合XRD，EL和PL光電性能分析，得到Si流量為19.81 sccm的性能較好的樣品定義為樣品A。同樣的方法，在樣品A的基礎(chǔ)上，QB的Si流量分別為0.18、0.27、0.41 sccm，把Si流量為0.27 sccm的性能較好的樣品定義為樣品B。在樣品B的基礎(chǔ)上，優(yōu)化P-AlGaN摻Mg的流量分別為150、250、350 sccm，把Mg流量為250 sccm性能較好的樣品定義為樣品C。在樣品C的基礎(chǔ)上，優(yōu)化P-GaN的生長溫度，分別為 940、980、1 020 ℃，把生長溫度為980 ℃性能較好的樣品定義為樣品D。在樣品D的基礎(chǔ)上，優(yōu)化活化溫度，分別為 700、650、600 ℃，把活化溫度為650 ℃的性能較好的樣品定義為樣品E。樣品A、B、C、D、E優(yōu)化工藝參數(shù)如表1所示。

3結(jié)果與討論

3.1單層優(yōu)化實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析

標(biāo)樣的外延薄膜的(102)、(002)半峰寬，分別為273、337 arcsec，對應(yīng)的波長為455 nm時，PL譜的發(fā)光強(qiáng)度為5.65 mV。以下所測的樣品，EL和PL均是同樣的條件下測試的。在標(biāo)樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行，優(yōu)化N-GaN時做了3組對比實(shí)驗(yàn),Si的流量分別為16.51、19.81、22.68 sccm，對應(yīng)的(102)半峰寬分別為273、231、244 arcsec，(002)半峰寬分別為337、245、301 arcsec，對應(yīng)的PL強(qiáng)度分別為4.86、6.08、5.89 mV，對應(yīng)的電壓分別為4.46、3.85、4.22 V。由圖2a可見在Si流量為19.81 sccm時獲得了較好的薄膜晶體質(zhì)量、PL發(fā)光強(qiáng)度和電壓。在QB的Si流量優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，分別選擇了0.18、0.27、0.41 sccm，對應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度分別為6.08、6.14、5.87 mV，對應(yīng)的電壓分別3.85、3.47、3.22 V，如圖2b所示，經(jīng)發(fā)光強(qiáng)度和電壓的綜合分析QB的Si流量為0.27 sccm時，能獲得光電性能較好的外延片。

表1　標(biāo)樣、樣品A、B、C、D、E的工藝參數(shù)

在優(yōu)化P-AlGaN實(shí)驗(yàn)中，如圖2 c實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示，Mg的流量分別為150、250、350 sccm，對應(yīng)的電壓分別為3.47、3.35、3.59 V，發(fā)光強(qiáng)度分別為6.14、6.42、6.35 mV。為了得到更好的光電性能，在P-AlGaN優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中， Mg的流量為250 sccm。P-GaN生長溫度的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計是建立在之前的生長溫度940 ℃基礎(chǔ)上，然后生長溫度分別為980、1020 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電壓分別為3.30、3.16、3.52 V，發(fā)光強(qiáng)度分別為6.35、6.47、6.08 mV，如圖2 d所示。據(jù)文獻(xiàn)報道，P-GaN的生長溫度如果在1 000 ℃左右時，Mg空穴的自補(bǔ)償效應(yīng)就越來越明顯，空穴的載流子濃度降低[5]。因此，P-GaN的生長溫度提高40 ℃得到了光電性能更好的外延片。P-GaN的活化溫度分別為700、650、600 ℃時，對應(yīng)電壓分別為4.15、3.32、3.68 V，發(fā)光強(qiáng)度分別為6.34、6.70、6.52 mV，如圖2e所示。基于以上工藝參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，電壓從標(biāo)樣的4.05 V降低至3.4 V，降低了16%，發(fā)光強(qiáng)度從大約5.68 mV提升至6.75 mV，提高了17.5%，由圖2f可知，電壓和發(fā)光強(qiáng)度均得到了較大幅度的改善。

圖2　N-GaN摻Si量(a)、QB摻Si量(b)、AlGaN摻Mg量(c)、P-GaN生長溫度(d)和活化溫度(e)不同的樣品對應(yīng)的電壓和PL強(qiáng)度，標(biāo)樣、樣品A、樣品B、樣品C、樣品D、樣品E的電壓和PL強(qiáng)度變化趨勢曲線(f)Fig.2　The voltage and the PL intensity of the samples with different Si doping in N-GaN(a), Si doping in QB(b) ,Mg doping in AlGaN (c) , different growth temperatures(d) and activation temperatures(e) of P-GaN, the whole trend curves of the voltage and the PL intensity of the standard sample, and the sample A, B, C, D, E (f)

3.2單層優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的綜合對比分析

圖3中樣品是外延片經(jīng)過芯片工藝加工后，制備出的芯片尺寸大小為7 mil×9 mil的小功率芯片。為保證對比數(shù)據(jù)的可靠性，芯片的測試數(shù)據(jù)是同一爐次的條件下，選取3個不同外延片位置分別內(nèi)圈、中圈、外圈各取一片。全自動芯片檢測儀的測試條件是在相同條件下，測試出波長、電壓和發(fā)光強(qiáng)度。從圖3中可以觀察到經(jīng)過工藝參數(shù)的優(yōu)化，電壓大致從4.5 V降到3.8 V左右，下降了16%。發(fā)光強(qiáng)度大概從110 mcd提高到135 mcd，提高了20%左右。在外延生長過程中在同一圈的外延片的光電性能幾乎一樣。但是3圈之間的電壓、波長及亮度會有些差異，這主要是由于生長設(shè)備的加熱絲的溫度不均勻?qū)е碌摹Ｒ虼耍趫D3中同一爐次的電壓、波長及亮度的變化幅度可能較大。從樣品A到樣品B，電壓下降的幅度最大，但同時發(fā)光強(qiáng)度也有一定程度的降低。相比樣品B，樣品C的電壓稍微升高，但發(fā)光強(qiáng)度從90 mcd提高到100 mcd左右，提高了大概10%。經(jīng)P-GaN生長溫度的優(yōu)化，樣品D的發(fā)光強(qiáng)度的提高了25%，達(dá)到了125 mcd，獲得了較高的發(fā)光強(qiáng)度。但電壓3.6 V升高到4.0 V，增加了大概11%。繼續(xù)經(jīng)過活化溫度優(yōu)化，這時的電壓下降到了3.8 V，并且發(fā)光強(qiáng)度從125 mcd增加到135 mcd左右，提高了12%。

圖3　標(biāo)樣、樣品A、B、C、D、E外延片3個不同位置制成芯片的對應(yīng)的波長、電壓和發(fā)光強(qiáng)度Fig.3　The wavelength, the voltage and EL intensity of 3 chips of the standard sample,and the samples A、B、C、D、E,respectively

3.3優(yōu)化工藝參數(shù)對光電性能的影響

3.3.1N-GaN摻Si對器件光電性能的影響

N-GaN外延層的Si流量直接決定了薄膜的載流子濃度和遷移率。載流子濃度并不是越大越好，判斷所需載流子濃度根據(jù)器件的光電性能參數(shù)為參考。當(dāng)增大Si流量，N-GaN外延薄膜的載流子濃度增大，遷移率下降，XRD的半高寬增加。據(jù)文獻(xiàn)報道，隨著Si流量增加，當(dāng)濃度高于2.74×1017cm-3時，Si摻雜使晶粒尺寸逐漸減小，導(dǎo)致GaN晶核從三維生長轉(zhuǎn)化二維生長的過程中產(chǎn)生更多的位錯，這種位錯釋放掉了薄膜中的應(yīng)力。因此，在宏觀上表現(xiàn)為搖擺曲線半高寬變寬。當(dāng)載流子濃度增加一定程度可以降低器件的工作電壓，但是如果載流子濃度過高會引起應(yīng)變弛豫和缺陷密度增大，外延薄膜晶體質(zhì)量變差，電學(xué)性能方面就是導(dǎo)致電子泄漏，降低了電光轉(zhuǎn)換效率[6]，如圖2a所示結(jié)果相符。同時，Si摻雜還影響著LED器件光學(xué)性能。比如，高溫生長的N-GaN外延層在室溫下容易產(chǎn)生應(yīng)變弛豫和缺陷，并且在N-GaN靠近MQW區(qū)域的導(dǎo)帶或者價帶發(fā)生彎曲，即帶尾效應(yīng)，應(yīng)變弛豫和帶尾效應(yīng)的作用導(dǎo)致光學(xué)波長發(fā)生紅移[7]。

3.3.2QB摻Si對器件光電性能的影響

在生長QB的過程中摻Si會使其張應(yīng)力增加，根據(jù)島狀(Volmer-Weber)生長模型，基材表面張力大，有利于材料的二維生長。同時，QB中摻Si使其載流子濃度急劇升高，可能會使材料的導(dǎo)熱能力變好，受熱均勻使材料生長的均勻性變好。QB中摻Si并不是摻的量越多越好，摻雜量越多外延材料的應(yīng)力就越大，應(yīng)力越大就容易導(dǎo)致能帶發(fā)生彎曲，在適當(dāng)QB摻雜Si的條件下，量子阱的極化效應(yīng)嚴(yán)重，在室溫小電流密度注入時量子阱的能帶更趨于水平，在大電流密度的注入下，量子阱的能帶彎曲傾斜度變大，電子更容易溢出，電子波函數(shù)與空穴波函數(shù)的重疊幾率變小，發(fā)光效率降低。QB的摻雜相當(dāng)于代替電子注入層即N-GaN層，QB摻Si離注入層越近，相當(dāng)于單位體積內(nèi)外延薄膜的Si摻濃度高，導(dǎo)致電流擴(kuò)展不好，從而引起工作電壓偏高，反向電壓越低[8-9]。

3.3.3P-AlGaN摻Mg對器件光電性能的影響

P-AlGaN層通常位于量子阱與P-GaN之間，其作用是作為電子阻擋層將電子限定在量子阱區(qū)域，以克服在大電流密度注入條件下，電子溢出量子阱層導(dǎo)致發(fā)光效率下降等問題。AlGaN電子阻擋層不但能提高對電子傳輸?shù)南拗颇芰Γ夷芴岣呖昭ǖ淖⑷肼剩沽孔于逯袇⑴c輻射復(fù)合的載流子濃度升高，從而提高了內(nèi)量子效率和發(fā)光效率[10]。Mg摻雜增大了空穴載流子濃度，提高了空穴的遷移率，增加了量子阱中的電子空穴的復(fù)合。但Mg摻雜會增加體電阻率，引起工作電壓升高[11]。

3.3.4P-GaN生長溫度及活化對器件光電性能的影響

GaN 基發(fā)光器件LED 成功關(guān)鍵之一是高質(zhì)量的P型摻雜。據(jù)文獻(xiàn)報道，在生長溫度從940 ℃提高到1 020 ℃之間，P-GaN的空穴濃度增加，當(dāng)生長溫度增加到1 040 ℃時，空穴濃度下降。這主要是由于在材料生長中，生長和解吸附是同時存在的兩個過程，當(dāng)生長溫度低于1 040 ℃時，生長過程占優(yōu)勢，有更多的Mg雜質(zhì)參與生長，取代Ga位而形成受主MgGa，從而外延薄膜的空穴濃度增加，當(dāng)溫度繼續(xù)增加時，由于解吸附作用的增強(qiáng)，N空位(VN)的數(shù)目增加，形成自補(bǔ)償效應(yīng)，導(dǎo)致薄膜的空穴濃度降低[12-13]。同時，由于生長溫度的升高，更多的NH3裂解產(chǎn)生H原子導(dǎo)致鈍化效應(yīng)增強(qiáng)，也能降低薄膜的空穴濃度。P-GaN的生長條件是在H2條件下，生長之后的Mg摻雜的GaN薄膜有較高的電阻率，主要是由于Mg和H原子結(jié)合形成非活性的Mg-H絡(luò)合物，Mg被鈍化。因此，為了達(dá)到器件所要求的電學(xué)性質(zhì)必須活化Mg，獲得低電阻率的P-GaN。目前，常用的活化Mg的方法主要是采用熱退火方式，能使Mg-H鍵斷裂，獲得較好的電阻率、空穴濃度和遷移率。Youn等[14]人已經(jīng)報道P型摻雜的空穴濃度與位錯密度有關(guān)，位錯成為裂解的H原子的遷移路徑或中和源。因此在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶穑黠@導(dǎo)致受主Mg 活化，更多的Mg 被活化，得到更高的空穴載流子濃度和更低的電阻率等電學(xué)參數(shù),是獲得高性能的LED器件的基本條件。P-GaN給量子阱區(qū)提供了大量的與電子復(fù)合的空穴數(shù)目，從而能夠獲得更高的內(nèi)量子效率[15-16]。

4結(jié)論

采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積方法設(shè)計并優(yōu)化外延生長工藝條件，通過對N-GaN、MQW、P-AlGaN、P-GaN外延材料的優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)QB摻雜Si對電壓的影響較大，P-GaN的生長溫度及活化溫度對LED的發(fā)光強(qiáng)度的影響比較大。經(jīng)過優(yōu)化后，芯片光電性能均得到了很大的改善，電壓大致從4.5 V降到3.8 V左右，下降了16%。發(fā)光強(qiáng)度大概從110 mcd提高到135 mcd，提高了20%左右。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論綜合分析，解釋了N-GaN和QB層摻Si，P-AlGaN摻Mg，P-GaN層進(jìn)行了生長溫度及活化溫度優(yōu)化對正向電壓和發(fā)光強(qiáng)度的影響，從而為外延生長高質(zhì)量GaN薄膜材料以及高性能LED的研發(fā)提供了更好的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)與理論支持。

參考文獻(xiàn)References

[1]Frank Lu, Dong Lee, Dan Byrnes,etal. Blue LED Growth from 2 inch to 8 inch [J].ScientiaSinicaTechnologica(中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué)), 2011, (54)1: 33-37.

[2]Chen Jun(陳峻), Fan Guanghan(范廣涵), Zhang Yunyan(張運(yùn)炎). Improvement of Characteristics of an InGaN Light-Emitting Diode by Using a Staggered AlGaN Electron-Blocking Layer [J].ChinesePhysicsB(中國物理B), 2013, 22(1): 552-555.

[3]Shao Xianjie(邵賢杰), Yan Dawei(閆大偉), Lu Hai(陸海). Efficiency Droop Behavior of GaN-Based Light Emitting Diodes under Reverse-Current and High-Temperature Stress [J].Solid-StateElectronics, 2011, 57: 9-13.

[4]Han S H, Lee D Y, Lee S J,etal. Effect of Electron Blocking Layer on Efficiency Droop in InGaN/GaN Multiple Quantum Well Light-Emitting Diodes [J].ApplPhysLett, 2009, 94(23): 231123-1-231123-3.

[5]Jeong T S, Kim J H, Han M S. Room-Temperature Luminescence Study on the Effect of Mg Activation Annealing on p-GaN Layers Grown by MOCVD [J].JournalofCrystalGrowth, 2005, 280: 401-407.

[6]Halidou I, Benzarti Z, Boufaden T. Thermodynamic Analysis of Si Doping in GaN [J].SuperlatticesandMicrostructures, 2006, 40: 496-500.

[7]Li D B, Ma B, Reina M. Photoluminescence Study of Si-Doped a-Plane GaN Grown by MOVPE [J].JournalofCrystalGrowth, 2009, 311: 2 906-2 909.

[8]Ramaiah K S, Su Y K, Chang S J. Photoluminescence Characteristics of Mg-and Si-Doped GaN Thin Films Grown by MOCVD Technique [J].JournalofCrystalGrowth, 2000, 220: 405-412.

[9]Cui Desheng(崔德勝), Guo Weiling(郭偉玲), Cui Bifeng(崔碧峰),etal. 注入電流對 GaN 基 LED 發(fā)光特性的影響[J].JournalofOptoelectronics·Laser(光 電 子·激 光), 2009, 22(9): 1 309-1 312.

[10]Xie S Y, Yin J Y, Zhang S,etal. Trap Behaviors in AlGaN-GaN Heterostructures by C-V Characterization [J].Solid-StateElectronics, 2009, 53: 1 183-1 185.

[11]Zhang W, Xue J S, Zhou X W. Effect of Si Doping in Wells of AlGaN/GaN Superlattice on the Characteristics of Epitaxial Layer [J].ChinPhysB, 2012, 21(7): 077103-1-077103-5.

[12]Aleksiejunasn R, Krotkus S, Nargelas S. Impact of Doping on Carrier Recombination and Stimulated Emission in Highly Excited GaN:Mg [J].PhysicaB, 2011, 406: 2 990-2 993.

[13]Keunjoo K, Joseph G H. Critical Mg Doping on the Blue-Light-Mission inp-Type GaN Thin Films Grown by Metal-Organic Chemical-Vapor Deposition [J].VacSciTechnolA:Vacuum,Surfaces,andFilms, 2003, 21(1): 134-139.

[14]Youn D, Lachab M, Hao M,etal. Investigation on thep-Type Activation Mechanism in Mg-Doped GaN Films Grown by Metal Organic Chemical Vapor Deposition [J].JpnJApplPhys, 1999, 38: 631-634.

[15]Li Z G, Yu T J, Yang Z J,etal. Effect of Annealing on Photoluminescence and Microstructures of InGaN/GaN Multi-Quantum Well with Mg-Dopedp-Type GaN [J].ChinPhys, 2005, 14(4): 830-833.

[16]Li J B, Liang J K, Rao G H. Thermodynamic Analysis of Mg-Dopedp-Type GaN Semiconductor [J].JournalofAlloysandCompounds, 2006, 422(1): 279-282.

(編輯惠瓊)

Effect of GaN-Based Film Materials on the Performanceof Photoelectric Device

CHEN Xibin1, MA Shufang1,2,DONG Hailiang1，2, LIANG Jian1, XU Bingshe1

(1.Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials, Ministry of Education,

Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024,China )

(2. Institute of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 010100, China)

Abstract：The epitaxial growth of GaN-based film materials on the sapphire substrate was processed by metal organic chemical vapor deposition method. The structure of epitaxial wafers was designed and epitaxial growth conditions on single N-type GaN (N-GaN), multiple quantum well (MQW), electron blocking layer (P-AlGaN) and P-type GaN (P-GaN) material were optimized. The epitaxial wafers were characterized by X-ray diffraction (XRD), electroluminescence (EL) and photoluminescence (PL). Results show that the optimized Si doped N-GaN and quantum barrier (QB) layer could lead better half peak width of (102), (002), voltage increases from 4.46 V to 3.85 V, 3.47 V, and luminous intensity increases from 4.86 mV to 6.14 mV. Then, Mg doped P-AlGaN layer was optimized, voltage reduces to 3.35 V and luminous intensity increases to 6.14 mV. Finally, the optimization of the growth temperature and annealing temperature on P-GaN layer make voltage increase from 3.16 V to 3.32 V, and luminous intensity increase to 6.70 mV. The voltage and the luminous intensity of chips were tested by automatic probe test under the test current of 20 mA. After optimization, the voltage decreases from 4.5 V to 3.8 V roughly, fell by 16%. Luminous intensity increases from 110 mcd to 135 mcd, increasing by 20% . Then, combining the experimental results and the theories, the influence of the N-GaN layer , Si doped QB layer, Mg doped P-AlGaN layer, and the growth temperature and activation temperature of P-GaN layer on the voltage and brightness were analyzed. These results may provide a better experiment guidance and theoretical support for the growth of high quality GaN epitaxial thin film materials and the optimization of high performance LED device.

Key words：light emitting diode; GaN; forward voltage; luminous intensity

中圖分類號：TB31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-3962(2015)05-0337-05

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2015.05.01

通訊作者：許并社,男，1955年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email:xubs@tyut.edu.cn

基金項目：國家自然科學(xué)基金(21471111)

收稿日期：2014-06-19