GaN基发光二极管的效率弱化问题与转移电子器件研究

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Ⅲ族氮化物半导体材料是直接带隙半导体材料,禁带宽度根据合金组分不同,可以在0.7~6.2 eV之间连续调节,覆盖了从红外到紫外的广阔光谱区域,很适合用于制造固态发光照明器件。到现在为止,Ⅲ族氮化物在发光领域取得了极大的成功,蓝光LED已经实现商业化。然而当前,在普通照明领域,GaN基LED效率是阻碍其快速发展的瓶颈。虽然GaN基LED内量子效率很高,而外量子效率会随着电流的增大而降低,这就是众所周知的效率弱化现象。为了降低在单位面积上每流明的芯片成本,GaN基LED必须要工作在较高的电流密度下,因此它的效率弱化问题必须解决。   我们目前以应力测试为手段对Ⅲ族氮化物LED中的效率弱化进行研究。我们采取三种不同的手段对其进行应力测试,即正向电流应力测试,反向电流应力测试和高温应力测试。通过电流应力测试,我们可以得到具有不同浓度非辐射复合中心的GaN基LED有源区InGaN/GaN量子阱,并以此来研究电流注入引起的效率弱化问题。研究结果发现,随着应力测试时间的增加,该LED的整体效率下降,效率顶点电流向大电流方向移动。在应力测试过程中,该LED电致发光光谱峰位和形状基本未变。结合速率方程,我们可得由于电流应力测试导致的缺陷增多,增强了低电流处的非辐射复合,迫使效率顶点电流向大电流方向移动。在高温应力测试时,器件主要是P型区串联电阻增大,造成光拥挤,降低其发光效率,而效率顶点电流没有变化。   除了在光电器件方面的应用外,宽禁带半导体氮化镓(GaN)材料的特殊能带结构还决定了GaN可以用来制备高性能转移电子器件(transferred-electrondevice,TED)或耿氏(Gunn)器件。相对于传统的转移电子器件材料,GaN具有更大电子饱和漂移速度(2×107cm/s)和更短的能量弛豫时间,相应的转移电子器件可望产生更高的振荡频率,作为大功率THz微波信号源将具有广阔的应用前景。本工作基于GaN转移电子器件最基本的工作模式-畴渡越时间模式,首先计算了GaN转移电子器件的理想最高振荡频率,得到该类型微波转移电子器件的最高振荡频率可达4.7THz,接近GaAs转移电子器件最高振荡频率(0.6THz)的8倍。接着从理论上计算出GaN转移电子器件的理想最大输出功率,结果表明GaN转移电子器件在功率输出方面具有很大优势。我们在理论计算的基础上,开展了GaN基Gunn器件的实验研究。所制GaN基Gunn器件在室温下显示出微分负阻迹象,有望产生基于负阻的Gunn振荡,从而可能进一步用于高频率、高功率的微波振荡器件。
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