解决措施
第22卷第3期
2008年5月
湖南工业大学
JournalofHunanUniversityofTechnology
VO1.22NO.3
May2008
GaN基蓝光LED峰值波长蓝移现象分析及解决措施
刘一兵
(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082;2.邵阳职业技术学院机电工程系，湖南邵阳422000)
摘要：分析了引起GaN基蓝光LED峰值波长不稳定的原因，它是由多量子阱区内极化效应引起的量子限 制斯塔克效应造成的.讨论了通过弱化压电场，采用四元系结构，优化外延材料的生长条件和总应变量等措施 来提高波长的稳定性，并指出了提高GaN基蓝光LED峰值波长稳定性的最优方案.
关键词：氮化镓；蓝光LED；峰值波长蓝移；压电效应；多量子阱
中图分类号:TN304.2+3文献标识码:A文章编号:1673—9833(2008)03—0087—04 ~henomenonAnalysisandSolutionMeasureforBlueGaN—Based LEDsPeakWavelengthBlueMoves
LiuYibing,
(1.SchoolofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410082, China;
2.DepartmentofMechanicalandElectricalEngineering,ShaoyangProfessionalTechnolog yCollege,ShaoyangHunan422000,China)
Abstract:AnalyzingtheunstablereasonofGaN—basedbluelightLEDpeakwavelength,itwasthequantumrestriction Starkeffectcausedbythemulti—quantumwellarea.Somemeasurementscanimprovethestabilityofwavelengthbydiscussin g
theelectricfieldthroughtheattenuationpressed,usingfourYuandepartmentsstructures,opti mizingextensionmaterial
growthconditionandtotalvariables.Then,itpointedoutthemostsuperiorplanforenhancing stablityofGaN—bluelightLED
peakwavelength.
Keywords:GaN;bluelightLED;thepeakwavelengthbluemoves;piezoelectriceffect;multi —quantumwell
合成氨工艺流程
20世纪90年代以来，由于异质外延缓冲层技术及
GaN材料P型掺杂技术取得突破，引发了全球科研工
明星脸相似度作者对GaN材料的研究.以GaN为代表的Ⅲ族氮化物
属直接跃迁型的宽带隙半导体材料，其发光谱覆盖了
从紫光到红光的整个可见光波段，且具有电子漂移饱
和速度高，热导率高，硬度大，介电常数小，化学性
质稳定及抗辐射，抗高温等优点，使得其广泛地应用
于高亮度蓝绿光LEDs，蓝紫光LDs的研制，成为当今
国内外半导体研究领域的一大热点.
随着对GaN基蓝光LED研究的深入和应用范围的
扩展，暴露出一些问题，如LED的输出光波长等将随
注入电流，温度和时间的影响而变化].这给GaN基
LED的实际应用带来两个问题:1)在全彩显示应用
中，波长的漂移将引起发光颜变化，导致彩不纯,
影响显示屏的视觉效果;2)在半导体照明领域，蓝光
LED峰值波长的变化将引起度坐标的漂移，造成白
锁架光的颜或温发生变化.由此可见，获得高波长稳
定性的LED器件是材料外延中研究的重点之一.本文
对GaN基蓝光LED产生峰值波长蓝移的原因进行了细
致分析，并提出了抑制这种现象的具体措施.
1GaN基蓝光LED峰值波长蓝移的
原因分析
图1所示为GaN基蓝光LED的峰值波长随注入电
流的变化曲线，可以看出，随着注入电流的增加,LED
收稿日期:2008-03-25
作者简介：刘一兵(1964-)，男，湖南邵东人，邵阳职业技术学院高级工程师，湖南大学硕士生，主要研究方向为半导体器件制
造工艺及设计.
88湖南工业大学2008年
发光峰值波长向短波长方向移动，即发生了蓝移.在
实际应用中，蓝绿光波段5nm左右的波长变化足以让
人眼感觉到颜的差异.而造成这种蓝光LED峰值波
长蓝移的主要原因，是由于InGaN/GaN多量子阱区强
烈的极化效应，下面讨论极化效应产生的机理.
图1GaN基蓝光LED峰值波长随注入电流变化曲线
Fig.1ChangecurveofblueGaN-basedLEDspeak wavelengthalongwithpoursintotheelectriccurrent
GaN基半导体材料存在3种晶体形态_3：纤锌矿
(Wurtzite)结构，属六方相，为稳定结构；闪锌矿
(Zincblende)结构，属立方相，为亚稳态结构；岩盐
(Rocksalt)结构，需要在高压下才能形成.由于GaN
晶格排列缺乏反演对称性，因此表现出强烈的极化效
应.它表现为两个方面:1)沿(0001)晶向生长的纤
锌矿结构GaN材料缺少变换对称性,GaN薄膜结构中
Ga原子集合和N原子集合的质心不重合(c/a=1.633时,
GaN原子集合的质心重合)，从而形成电偶极子，在材
料内部产生固有的自发极化(SPo2)在MOCVD外
延生长量子阱时，由于InGaN和GaN存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配产生应力，导致形成压电极化(PEo拉伸应变时，对于Ga面系材料，自发极化P
和压电极化P方向相同，压缩应变则相反，且其极
化系数比传统Ⅲ一V族GaAs材料高(见表1[】o
表1纤锌矿结构Ⅲ一V族半导体极化系数
Table1Semiconductorsusceptibilityof spiauteritestructureIII-Vracec.m-2
半导体自发极化压电极化压电极化压电极化
名称系数P系数e31系数e33系数e35le31一(c3/q,e3,J 注:1(c?m)=6.25×10(e?m).
对于一个应力层来说，有效压电极化强度P为:
=
[一(C3/C3,e3,]占，其中，占是层内应力，且
占1=占+Eyy;C31和C33是弹性常数.在InGaN材料中，由于InGa一和GaN的自发极化强度之差很小,
为△PsP=1.88x×10他(e?m-)，而GaN上的InxGa1—
层是处在压应力作用下，且尸PF=1.1x×10H(e?m-),
女哚IIlN自q鹰弥哟0.15，那么PPF=1.65xx10"(e?m-), 此时压电极化占支配地位.由于Ⅲ族纤锌矿氮化物存
在较大的压电极化系数，极化率在界面处的急剧变化
将产生大量极化电荷，直接使体系内出现内建电场.
在考虑极化效应时,InGaN/GaN量子阱的能带结构如
图2所示.
图2InGaN/GaN量子阱考虑极化效应时能带图
Fig.2EnergybandchartofInGaN/GaNquantumpitfall considerationpolarizationeffect
折叠浴巾架
在通常使用的InGaN/GaN量子阱的(0001)方向上,
内建电场强度粗略计达到MV/cm量级.这个内强电
场将阻止发光器件中载流子的注入，引起显着的量子
限制斯塔克效应(QCSE)，导致能带倾斜，发光波
长向长波段方向移动(即红移).随着注入电流的增
大，由于载流子在导带(或价带)内的驰豫时间(约
ps量级)比载流子寿命(约ns量级)要短得多，这
样多量子阱区的自由载流子增加，屏蔽了部分内建电
场，削弱了QCSE效应，阱中基态升高，从而使LED
峰值波长向短波方向移动.这种蓝移就是LED峰值
波长随注入电流变化的内在原因.由于量子限制斯塔
克效应的影响，应力诱导极化场，激子跃迁能量减少
菜罩
大致为eEod(Eo为压电场,d为量子阱厚度)，一般当
InGaN/GaN量子阱宽超过3nm时，阱内电子空穴波函
数空间分裂严重，波函数重叠积分大大减小，电子空
穴对的复合辐射几率降低，限制了器件内量子效率的
提高.
2GaN基蓝光LED峰值波长蓝移的
解决措施
由于极化效应引起GaN基LED峰值波长蓝移造成
波长稳定性差，使其在应用中引起一系列的问题，近
年来，学者们研究了一系列解决蓝移的措施.
由于压电电场是沿c轴方向产生的，如果在非极
性面(相对于C面垂直的a面或m面)的法线(a轴或
第3期刘一兵GaN基蓝光LED峰值波长蓝移现象分析及解决措施89 m轴)方向上，或者半极性面(相对于c面倾斜的斜
面)的法线方向上生长晶体，就可以弱化压电电场对
于生长轴方向的影响.这样既可以减小蓝移现象所造
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