利用MOCVD技术在图形化Si(111)衬底上生长了InGaN/GaN绿光LED外延材料。在GaN量子垒的生长过程中, 保持NH3流量不变, 通过调节三乙基镓(TEGa)源的流量来改变垒生长速率, 研究了量子垒生长速率对LED性能的影响。使用二次离子质谱仪(SIMS)和荧光显微镜(FLM)分别对量子阱的阱垒界面及晶体质量进行了表征, 使用电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。实验结果表明, 垒慢速生长, 在整个测试电流密度范围内, 外量子效率(EQE)明显提升。我们认为, 小电流密度下, EQE的提升归结为量子阱晶体质量的改善; 而大电流密度下, EQE的提升则归结为阱垒界面陡峭程度的提升。

基于含有V坑结构的Si（111）衬底InGaN/GaN绿光LED, 我们在传统p-AlGaN电子阻挡层之后优化生长一层25 nm的低掺镁p-AlGaN插入层, 并获得明显的效率提升。在35 A/cm2的电流密度下, 主波长为520 nm的LED外量子效率和光功率分别达到43.6%和362.3 mW, 这是截至目前报道的最高记录。通过分析表明, 其潜在的物理机制归结于p-AlGaN插入层能够提高空穴从V坑注入的效率。本文提供了一种有效提升发光效率的方法, 尤其适合于含有V坑结构的InGaN/GaN LED。

采用实验与理论模拟相结合的方法, 研究了氮化镓基绿光发光二极管(LED)中V坑对空穴电流分布的影响。首先, 实验获得了V坑面积占比不同的3种样品; 然后, 建立数值模型, 使得理论计算的外量子效率(EQE)及电压与实验测试的变化趋势相匹配, 从而确立了所用数值模型的可信性。计算结果显示: V坑改变了空穴电流的分布, 空穴电流密度在V坑处显著增加, 在平台处明显减小。进一步的分析表明: V坑面积占比在0~10%范围内, V坑空穴电流占比与V坑面积占比之间呈近线性增长(斜率为2.06), 但V坑空穴注入在整个空穴注入的过程中仍未占主导。

纳米柱结构是释放高In组分InGaN/GaN绿光LED量子阱层应变的有效方法。本文采用自组装的聚苯乙烯微球掩模、感应耦合等离子体干法刻蚀和KOH溶液的湿法腐蚀, 在GaN基绿光LED外延片上制备了3种高度的纳米柱结构, 通过扫描电子显微镜观察纳米柱结构的形貌, 并测试了常温和10 K低温时的光致发光谱（PL）。结果表明: 应变释放对压电场的影响显著, 使得纳米柱结构样品的内量子效率（IQE）提高, PL谱峰值波长蓝移; 应变在量子阱中的不均匀分布还使得PL谱半高全宽（FWHM）展宽。与普通平面结构相比, 高度为747 nm的纳米柱结构可使得IQE提升917%, PL谱峰值波长蓝移18 nm、FWHM展宽7 nm。另外, 纳米柱结构样品的有源区有效面积减小可使得PL谱FWHM减小。

在Si衬底上外延生长了3种不同量子垒结构的绿光外延片并制作成垂直结构芯片, 3种量子垒结构分别为GaN、In0.05Ga0.95N/Al0.1Ga0.9N/In0.05Ga0.95N、In0.05Ga0.95N/GaN/In0.05Ga0.95N, 对应的3种芯片样品为A、B、C, 研究了3种样品的变温电致发光特性。垒结构的改变虽然对光功率影响很小, 但是在光谱性能上会引起显著改变, 结果如下: 在低温(13 K)大电流下, 随着电流密度的增大, 样品的EL谱峰值波长蓝移更为显著, 程度依次为B>A≈C; 在高温(300 K)小电流下, 随着电流密度的增大, 样品EL谱的峰值波长蓝移程度的大小依次为A>B>C。在同一电流下, 随着温度的升高, 样品在大部分电流下的EL谱峰值波长出现“S”型波长漂移, 在极端电流下又表现出不同的漂移情况。这些现象与局域态、应力、压电场、禁带宽度等因素有关。

InGaN系绿光LED的量子阱结构具有较高的In含量, InN与GaN之间较大的晶格失配度使得绿光器件的量子限制Stark效应更显著。对内建电场的屏蔽可以有效提高载流子的辐射复合效率。论文探讨了绿光多量子阱中垒层的Si掺杂对绿光器件性能的影响。研究发现, 多量子阱中垒层适度Si掺杂(3.4×1016cm-3)可以改善多量子阱结构界面质量和In组分波动, 在外加正向电流的作用下更大程度地屏蔽极化电场; 同时, 还能够增强电流的横向扩展性, 提高活化区的有效发光面积。然而, 多量子阱中垒层的过度Si掺杂对于绿光LED器件的性能带来诸多的负面影响, 比如加剧阱垒晶格失配、漏电途径明显增加等, 致使器件光效大幅度降低。

InGaN绿光LED的量子阱结构具有较高的In含量, InN与GaN之间较大的晶格失配度使得该结构的稳定性下降。由于量子阱结构生长完成之后的p型GaN的生长温度要远高于量子阱结构生长温度, 因此, p型GaN的生长过程对多量子阱质量有重大影响。论文探讨了p型GaN的生长温度与厚度对绿光LED的材料结构及器件性能的影响。研究发现, p-GaN过高的生长温度和过大的厚度都能加剧多量子阱结构中In组分的波动, 使得发光峰宽化, 同时降低绿光量子阱的发光效率。论文据此提出了优化的p型GaN生长温度与厚度, 探讨了量子阱保护层对InGaN绿光LED性能的影响, 该结构有利于增强绿光LED发光波长的稳定性。

面对即将来临的半导体固态照明(SSL)技术革命，蓝、绿光LED芯片技术在过去关键的20年中所走过的历程是值得认真回顾的。文章简要介绍了SSL技术的材料物理基础以及器件的基本光电参数特征，在此基础上回顾了该技术发展历程的关键节点。针对该技术核心应用领域——固态节能照明发展的需要，对未来技术发展趋势也做了展望。

对本实验室在Si (111) 衬底上MOCVD法生长的芯片尺寸为400 μm×600 μm功率型绿光LED的光电性能进行研究。带有银反射镜的LED在20 mA的电流下正向工作电压为3.59 V, 主波长518 nm, 输出光功率为7.3 mW, 90 mA下达到28.2 mW, 发光功率效率为7.5%, 光输出饱和电流高达600 mA。在200 mA电流下加速老化216 h, 有银反射镜的LED光衰小于无银反射镜的LED, 把这一现象归结于Ag反射镜在提高出光效率的同时, 降低了芯片本身的温度。本器件有良好的发光效率、光衰和光输出饱和电流等综合特性表明, Si衬底GaN基绿光LED具有诱人的发展前景。