基于GaN微米阵列结构的单芯片白光LED有源区InGaN/GaN多量子阱结构设计

王永嘉; 杨旭; 李金钗; 黄凯; 康俊勇

doi:10.37188/CJL.20220115

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于GaN微米阵列结构的单芯片白光LED有源区InGaN/GaN多量子阱结构设计

理论计算与光谱分析 | 更新时间：2022-08-01

- 基于GaN微米阵列结构的单芯片白光LED有源区InGaN/GaN多量子阱结构设计
  增强出版
- Design of InGaN/GaN MQWs Structures for Monolithic Phosphor-free White LEDs Based on GaN Micro-arrays
- 发光学报 2022年43卷第7期页码：1130-1138
- 作者机构：
  
  1.厦门大学物理学系，微纳光电子材料与器件教育部工程研究中心，福建省半导体材料及应用重点实验室，半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心，福建厦门 361005
  2.厦门市未来显示技术研究院嘉庚创新实验室，福建厦门 361005
- 作者简介：
  
  [ "王永嘉（1997-），男，山东淄博人，硕士研究生，2019年于湖南大学获得学士学位，主要从事Ⅲ族氮化物器件应用的研究。 E-mail： 840354002@qq. com" ]
  [ "李金钗（1979-），女，福建漳平人，博士，教授级高级工程师，硕士生导师，2008 年于厦门大学获得博士学位，主要从事宽禁带半导体材料及其器件应用的研究。 E-mail： jinchaili@xmu.edu.cn" ]
  [ "黄凯（1980-），男，福建福州人，博士，教授，博士生导师，2007年于南京大学获得博士学位，主要从事宽禁带半导体材料及其器件应用的研究。 E-mail： k_huang@xmu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划(2021YFB3600101);国家自然科学基金(61874090);福建省自然科学基金(2021J01008);厦门市重大科技项目(3502Z20191016)
- DOI：10.37188/CJL.20220115
  中图分类号： O482.31
- 纸质出版日期：2022-07-05，
  
  收稿日期：2022-03-29，
  
  修回日期：2022-04-14，
扫描看全文
王永嘉,杨旭,李金钗等.基于GaN微米阵列结构的单芯片白光LED有源区InGaN/GaN多量子阱结构设计[J].发光学报,2022,43(07):1130-1138.

WANG Yong-jia,YANG Xu,LI Jin-chai,et al.Design of InGaN/GaN MQWs Structures for Monolithic Phosphor-free White LEDs Based on GaN Micro-arrays[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(07):1130-1138.
王永嘉,杨旭,李金钗等.基于GaN微米阵列结构的单芯片白光LED有源区InGaN/GaN多量子阱结构设计[J].发光学报,2022,43(07):1130-1138. DOI： 10.37188/CJL.20220115.

WANG Yong-jia,YANG Xu,LI Jin-chai,et al.Design of InGaN/GaN MQWs Structures for Monolithic Phosphor-free White LEDs Based on GaN Micro-arrays[J].Chinese Journal of Luminescence,2022,43(07):1130-1138. DOI： 10.37188/CJL.20220115.

摘要

通过模拟仿真对双波长堆叠的

面InGaN/GaN多量子阱（MQWs）发光二级管的载流子浓度、自发辐射复合率以及极化电场等进行了研究。结果表明，通过调节双波长堆叠的InGaN多量子阱的阱层和垒层厚度，可调控载流子特别是空穴在量子阱有源区的分布，实现双波长发光峰比例调制。进而考察了在相同外延条件下生长的半极性面InGaN/GaN堆叠量子阱LED的发光特性。在此基础上，提出基于多波长堆叠InGaN/GaN多量子阱结构的

面和｛1011｝或｛1122｝半极性面混合的单芯片白光LED设计方案，通过调节

面发光光谱在混合光谱中的比例，可获得覆盖大部分可见光波段、色温从4 500~9 000 K可调、且显色指数最高可达91.3的白光。

Abstract

The carrier concentration， spontaneous emission recombination rate and polarization field of dual-wavelength stacked

-plane InGaN/GaN multiple quantum wells（MQWs） light emitting diode（LED） are simulated with Crosslight APSYS software. The results show that the distribution of carriers， especially holes， in InGaN MQWs can be modified by adjusting the thickness of the well layer and barrier layer. Thus， the illumination in different spectral regimes can be balanced. Furthermore， the optical properties of semipolar InGaN/GaN LEDs with stacked MQWs grown under the same epitaxial conditions are analyzed. Finally， monolithic phosphor-free white LEDs with triple- wavelength stacked MQWs based on GaN micro arrays are proposed， in which the micro arrays consist of ｛1011｝ or ｛1122｝ semipolar facets and

faces. By adjusting the proportion of

-plane illumination， a white LED with color temperature of ~6 000 K and high color rendering index of ~91.3 can be achieved.

关键词

单芯片白光LED半极性面InGaN极化效应

Keywords

monolithic white LEDsemipolarplaneInGaNpolarization effect

references

VURGAFTMAN I，MEYER J R，RAM-MOHAN L R. Band parameters for Ⅲ-Ⅴ compound semiconductors and their alloys ［J］. J. Appl. Phys.， 2001，89（11）：5815-5875. doi: 10.1063/1.1368156http://dx.doi.org/10.1063/1.1368156

KRAMES M R，SHCHEKIN O B，MUELLER-MACH R，et al. Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting ［J］. J. Display Technol.， 2007，3（2）：160-175. doi: 10.1109/jdt.2007.895339http://dx.doi.org/10.1109/jdt.2007.895339

HUMPHREYS C J. Solid-state lighting ［J］. MRS Bull.， 2008，33（4）：459-470. doi: 10.1557/mrs2008.91http://dx.doi.org/10.1557/mrs2008.91

CHO J，PARK J H，KIM J K，et al. White light-emitting diodes：history，progress，and future ［J］. Laser Photonics Rev.， 2017，11（2）：1600147-1-17. doi: 10.1002/lpor.201600147http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201600147

GEORGE N C，DENAULT K A，SESHADRI R. Phosphors for solid-state white lighting ［J］. Annu. Rev. Mater. Res.， 2013，43：481-501. doi: 10.1146/annurev-matsci-073012-125702http://dx.doi.org/10.1146/annurev-matsci-073012-125702

YAMADA M，NARUKAWA Y，MUKAI T. Phosphor free high-luminous-efficiency white light-emitting diodes composed of InGaN multi-quantum well ［J］. Jpn. J. Appl. Phys.， 2002，41（3A）：L246-L248. doi: 10.1143/jjap.41.l246http://dx.doi.org/10.1143/jjap.41.l246

LU C F，HUANG C F，CHEN Y S，et al. Phosphor-free monolithic white-light LED ［J］. IEEE J. Select. Top. Quantum Electron.， 2009，15（4）：1210-1217. doi: 10.1109/jstqe.2009.2013184http://dx.doi.org/10.1109/jstqe.2009.2013184

LI Y C，CHANG L B，CHEN H J，et al. Phosphor-free InGaN white light emitting diodes using flip-chip technology ［J］. Materials， 2017，10（4）：432-1-11. doi: 10.3390/ma10040432http://dx.doi.org/10.3390/ma10040432

MEIER J，BACHER G. Progress and challenges of InGaN/GaN-based core-shell microrod LEDs ［J］. Materials， 2022，15（5）：1626-1-15. doi: 10.3390/ma15051626http://dx.doi.org/10.3390/ma15051626

LU W F，ITO K，SONE N，et al. Color-tunable emission in coaxial GaInN/GaN multiple quantum shells grown on three-dimensional nanostructures ［J］. Appl. Surf. Sci.， 2021，539：148279-1-9. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.148279http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148279

YANG G F，ZHANG Q，WANG J，et al. InGaN/GaN multiple quantum wells on selectively grown GaN microfacets and the applications for phosphor-free white light-emitting diodes ［J］. Rev. Phys.， 2016，1：101-119. doi: 10.1016/j.revip.2016.06.001http://dx.doi.org/10.1016/j.revip.2016.06.001

ZHAO J，WEI T B，ZHANG J，et al. Phosphor-free three-dimensional hybrid white LED with high color-rendering index ［J］. IEEE Photonics J.， 2019，11（3）：8200608-1-8. doi: 10.1109/jphot.2019.2913869http://dx.doi.org/10.1109/jphot.2019.2913869

FUNATO M，KONDOU T，HAYASHI K，et al. Monolithic polychromatic light-emitting diodes based on InGaN microfacet quantum wells toward tailor-made solid-state lighting ［J］. Appl. Phys. Express， 2008，1（1）：011106-1-3. doi: 10.1143/apex.1.011106http://dx.doi.org/10.1143/apex.1.011106

WU Z L，CHEN P，YANG G F，et al. Morphology evolution and emission properties of InGaN/GaN multiple quantum wells grown on GaN microfacets using crossover stripe patterns by selective area epitaxy ［J］. Appl. Surf. Sci.， 2015，331：444-448. doi: 10.1016/j.apsusc.2015.01.104http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.01.104

DAVID A，GRUNDMANN M J，KAEDING J F，et al. Carrier distribution in （0001） InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2008，92（5）：053502-1-3. doi: 10.1063/1.2839305http://dx.doi.org/10.1063/1.2839305

CHO J，SCHUBERT E F，KIM J K. Efficiency droop in light-emitting diodes：challenges and countermeasures ［J］. Laser Photonics Rev.， 2013，7（3）：408-421. doi: 10.1002/lpor.201200025http://dx.doi.org/10.1002/lpor.201200025

SAHA M，BISWAS A，KARAN H. Monolithic high performance InGaN/GaN white LEDs with a tunnel junction cascaded yellow and blue light-emitting structures ［J］. Opt. Mater.， 2018，77：104-110. doi: 10.1016/j.optmat.2018.01.021http://dx.doi.org/10.1016/j.optmat.2018.01.021

LU S Q，LI J C，HUANG K，et al. Designs of InGaN micro-LED structure for improving quantum efficiency at low current density ［J］. Nanoscale Res. Lett.， 2021，16（1）：99-1-16. doi: 10.1186/s11671-021-03557-4http://dx.doi.org/10.1186/s11671-021-03557-4

FIORENTINI V，BERNARDINI F，AMBACHER O. Evidence for nonlinear macroscopic polarization in Ⅲ-Ⅴ nitride alloy heterostructures ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2002，80（7）：1204-1206. doi: 10.1063/1.1448668http://dx.doi.org/10.1063/1.1448668

BASU P K. Theory of Optical Processes in Semiconductors：Bulk and Microstructures ［M］. Oxford：‎Clarendon Press， 2003. doi: 10.1093/acprof:oso/9780198526209.003.0002http://dx.doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198526209.003.0002

ZHOU L，DIMAKIS E，HATHWAR R，et al. Measurement and effects of polarization fields on one-monolayer-thick InN/GaN multiple quantum wells ［J］. Phys. Rev. B， 2013，88（12）：125310-1-5. doi: 10.1103/physrevb.88.125310http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.88.125310

USMAN M，ANWAR A R，MUNSIF M. Review—a survey of simulations on device engineering of GaN-based light-emitting diodes ［J］. ECS J. Solid State Sci. Technol.， 2020，9（6）：066002-1-17. doi: 10.1149/2162-8777/aba1cchttp://dx.doi.org/10.1149/2162-8777/aba1cc

SHEN X Y，WU Z Y，LI J C，et al. Phosphor-free white emission from InGaN quantum wells grown on in situ formed submicron-scale multifaceted GaN stripes ［J］. J. Alloys Compd.， 2019，775：752-757. doi: 10.1016/j.jallcom.2018.09.293http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.293

FUNATO M，HAYASHI K，UEDA M，et al. Emission color tunable light-emitting diodes composed of InGaN multifacet quantum wells ［J］. Appl. Phys. Lett.， 2008，93（2）：021126-1-3. doi: 10.1063/1.2956404http://dx.doi.org/10.1063/1.2956404

LEE M L，YEH Y H，TU S J，et al. White emission from non-planar InGaN/GaN MQW LEDs grown on GaN template with truncated hexagonal pyramids ［J］. Opt. Express， 2015，23（7）：A401-A412. doi: 10.1364/oe.23.00a401http://dx.doi.org/10.1364/oe.23.00a401

浏览量

122

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

In组分梯度渐变的n-i-p结构InGaN太阳能电池性能研究

p-InGaN层厚度对p-i-n结构InGaN太阳电池性能的影响及机理

量子阱数变化对InGaN/GaN发光二极管瞬态响应的影响

极化效应对InGaN/GaN多量子阱结构光电特性的影响