p型层结构与掺杂对GaInN发光二极管正向电压温度特性影响

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.10(2015)107801p型层结构与掺杂对GaInN发光二极管正向电压温度特性的影响毛清华刘军林y全知觉吴小明张萌江风益(南昌大学国家硅基LED工程研究中心,南昌330047)(2014年11月13日收到;2014年12月24日收到修改稿)在温度变化时,如果GaInN发光二极管能够保持相对稳定的工作电压对其实际应用具有重要意义.本文通过金属有机化学气相沉积生长了一系列包含不同有源区结构、不同p型层结构以及不同掺杂浓度纵向分布的样品,并对其在不同温度区间内正向电压随温度变化的斜率(dV

2、/dT)进行了研究.结果表明:1)有源区中包括插入层设计、量子阱结构以及发光波长等因素的变化对正向电压随温度变化特性影响很小;2)影响常温区间(300K50K)正向电压随温度变化斜率的最主要因素为p-AlGaN电子阻挡层起始生长阶段的掺杂11形貌,具有p-AlGaN陡掺界面的样品电压变化斜率为1.3mV
K,与理论极限值1.2mV
K十分接近;3)p-GaN主段层的掺Mg浓度对低温区间(<200K)的正向电压随温度变化斜率有直接影响,掺Mg浓度越低则dV/dT斜率越大.以上现象归因于在不同温度区间,p-AlGaN以及p-GaN发生M

3、g受主冻结效应的程度主要取决于各自的掺杂浓度.因此Mg掺杂浓度纵向分布不同的样品在不同的温度区间具有不同的串联电阻,最终表现为差异很大的正向电压温度特性.关键词:氮化镓,发光二极管,电压,电致发光PACS:78.66.Fd,85.60.Jb,84.37.+q,78.60.FiDOI:10.7498/aps.64.107801够适应在不同工作环境温度下应用的关键环节.1引言已有一些研究针对正向电压随温度的变化关系进行了分析.Xi和Schubert[4]给出了正向电压近年来,随着技术的进步,GaInN发光二极管随温度变化的表达式,利用该表达式可以

4、根据电压(light-emittingdiodes,LED)在诸多领域中都有着的变化测试器件结温[5;6].在此基础上,Meyaard广泛的应用[13].在路灯、汽车照明、户外显示以及等[7]对上述表达式进行了进一步的解析,并解释太空等特定领域应用时,LED工作的环境温度往往了为何在常温区间以及低温区间存在不同的电压在300K50K的范围内变化,而温度的变化会引随温度变化的特性.然而,前述研究通常仅就单一起LED工作电压的变化.如果电压变化过于剧烈,样品进行分析,对LED结构中各功能层在电压随将会对LED的使用造成严重影响.首先,电压的变

5、温度变化的特性中分别所起的作用缺乏系统研究.化会对LED的光电转换效率、色品质以及可靠性更为重要的是,对于如何提高工作电压在温度变等性质产生负面影响;其次,过于剧烈的电压变化化时的稳定性仍然没有提出有效的方法.针对这对LED工作器件的电源控制以及热管理都提出了些问题,本文通过改变外延结构(尤其是p型层结极高的要求.因此,获得在温度变化时(尤其是在构),研究了不同外延结构下电压随温度变化的特常温区间)电压变化极小的器件成为LED是否能性,明晰了其中各主要功能层在不同温度区间对电国家自然科学基金(批准号:61334001,11364034,21

6、405076)、国家科技支撑计划(批准号:2011BAE32B01)和国家高技术研究发展计划(批准号:2011AA03A101)资助的课题.†通信作者.E-mail:liujunlin@ncu.edu.cn©2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn107801-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.10(2015)107801压变化的贡献.通过优化p型层设计,获得了在常和C的p型结构与掺杂浓度一致.所有外延片均温阶段电压随温度变化幅度接近理论极限最低值制

7、作成Si衬底垂直结构的LED芯片,芯片尺寸为的LED器件结构,为LED器件在不同环境温度下1mm1mm,制作过程可见文献[8].所选取的的应用奠定了理论与工艺基础.样品中,薄垒蓝光与厚垒蓝光样品在室温、350mA工作电流下测试主波长为450nm,厚垒绿光样品2实验为520nm.在薄垒蓝光样品A结构的基础上,通过改变p型掺杂获得p型层浓度纵向分布不同的三采用ThomasSwan公司生产的CCS金属有机种样品.这三种样品的有源区以及p型结构是完全化学气相沉积(MOCVD)系统,在2英寸的Si衬底一致的.它们分别被标记为样品D(与样品A完全上生长

8、了多种具有不同外延设计的LED结构.所相同),E以及F.所有样品的p型Mg掺杂浓度纵有LED结构具有相同的缓冲层以及n层,分别是向分布均采用Cameca公司生产的I