【摘要】：為了實(shí)現(xiàn)高性能AlGaN深紫外發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減少電子泄漏,提高空穴注入,優(yōu)化載流子的分布,提高正面出光效率。本文圍繞深紫外發(fā)光二極管所必須解決的發(fā)光特性問題,通過優(yōu)化AlGaN發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提升器件性能,具體開展的研究工作如下:(1)通過APSYS軟件設(shè)計(jì)了Al組分緩變的新型AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)。對(duì)比采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與Al組分漸變的量子阱結(jié)構(gòu),研究不同的量子阱Al組分變化方式對(duì)器件性能的影響。結(jié)果表明,采用Al組分漸變的量子阱結(jié)構(gòu)能夠顯著減少量子阱間因AlGaN材料的強(qiáng)極化效應(yīng)導(dǎo)致的電子空穴波函數(shù)分離,減少量子阱中的平均電場(chǎng)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)更有效的載流子復(fù)合,顯示出良好的器件性能。在此基礎(chǔ)上我們又進(jìn)一步設(shè)計(jì)Al組分緩變量子阱結(jié)構(gòu),分析表明,緩變Al組分量子阱結(jié)構(gòu)不僅具備漸變結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)而且能夠顯著提高電子阻擋層的勢(shì)壘高度,從而減小電子泄漏,提高空穴的注入效率,因此深紫外發(fā)光二極管的器件性能得以進(jìn)一步提升。(2)通過APSYS軟件設(shè)計(jì)了寬臺(tái)階狀末層量子壘(LQB)。對(duì)比采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與寬末層量子壘結(jié)構(gòu),研究寬臺(tái)階狀末層量子壘對(duì)AlGaN深紫外發(fā)光器件的性能影響。仿真結(jié)果表明,采用更寬的臺(tái)階狀末層量子壘的設(shè)計(jì)可以顯著提高器件的內(nèi)量子效率以及發(fā)光功率。器件性能顯著提升的主要原因是相比傳統(tǒng)的10nm固定Al組分AlGaN末層量子壘,20nm的AlGaN末層量子壘特別是兩層臺(tái)階狀末層量子壘由于在靠近電子阻擋層的臺(tái)階層Al組分較低因此可以有效提高AlGaN電子阻擋層的有效勢(shì)壘高度,從而增強(qiáng)電子在有源區(qū)的限制,減少電子的泄漏,并且價(jià)帶中更低的勢(shì)壘高度也有利于空穴的注入和傳輸,因而提高載流子輻射復(fù)合速率,改善器件綜合性能。(3)通過APSYS軟件設(shè)計(jì)和模擬了非對(duì)稱臺(tái)階狀末層量子壘(LQB)結(jié)構(gòu),對(duì)比采用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和寬度更大的末層量子壘結(jié)構(gòu),研究非對(duì)稱臺(tái)階狀末層量子壘結(jié)構(gòu)對(duì)深紫外發(fā)光二極管性能的影響,模擬結(jié)果表明非對(duì)稱臺(tái)階末層量子壘可有效提高電子阻擋層的有效勢(shì)壘高度,同時(shí)降低空穴的有效勢(shì)壘高度,因此可以強(qiáng)化對(duì)有源區(qū)電子的限制作用,增加空穴的有效注入與傳輸效率,表現(xiàn)出良好的器件性能。深入分析表明,當(dāng)組分更高的臺(tái)階層厚度較小時(shí),其量子阱中有著更小的平均電場(chǎng)強(qiáng)度,減少了阱中電子空穴波函數(shù)的分離,實(shí)現(xiàn)更合理的載流子分布調(diào)制,提高了電子和空穴的有效輻射復(fù)合率,從而顯著提高器件的光電性能。
【學(xué)位授予單位】：安徽工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN312.8
【圖文】：

因此，需要進(jìn)一步的研究來提高紫外LED的性能，以使其成為市場(chǎng)上的主導(dǎo)者。圖1-1 紫外光輻射的應(yīng)用1.2 紫外發(fā)光器件的研究進(jìn)展1996年至1999年間，幾個(gè)研究小組開始研究波長(zhǎng)小于360 nm的AlGaN基紫外光LED[7-9]。在美國(guó)，針對(duì)DUV光源的研究最初是由DARPA的半導(dǎo)體紫外光源(SUVOS)計(jì)劃推動(dòng)的。1998年，Han小組采用Al0.2Ga0.8N/GaN多量子阱結(jié)構(gòu)成功研制出了世界上首只波長(zhǎng)小于360 nm的紫外LED，發(fā)光波長(zhǎng)為353.6 nm，但其在20 mA的電流注入下其輸出功率僅為13 μW，外量子效率也小于1 %[10]。此后，隨著國(guó)際上大量的研究小組投身于AlGaN材料研究以及生長(zhǎng)技術(shù)的改善

[19]。圖1-2 近年來不同研究小組報(bào)道的從近紫外到深紫外發(fā)光器件的外量子效率2012年，RIKEN和Panasonic公司開發(fā)出了發(fā)光波長(zhǎng)為270 nm的可用于商業(yè)用途的深紫外LED并投入了大規(guī)模的生產(chǎn)，其產(chǎn)品的發(fā)光功率為10 mW，使用壽命高達(dá)10000 h[20,21]。2013年，PengDong在注入電流為20mA下，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為282nm外量子效率為3.45%，輸出功率為3.03mW的深紫外LED。緊接著A Fujioka等人也制備出在注入電流為350 mA時(shí)，輸出功率分別為45.2 mW、93.3 mW以及65.8mW的發(fā)光波長(zhǎng)為255 nm、280nm以及310 nm的UV LED。2014年

偏振光出光則集中于側(cè)面，因而難以從沿c軸生長(zhǎng)的材料正面有效抽取，因此波長(zhǎng)越短的深紫外LED的光越難被正面抽取。圖1-3 (In) AlGaN紫外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)及面臨的挑戰(zhàn)雖然大多數(shù)研究工作都是針對(duì)提高紫外LED的內(nèi)量子效率，但器件開發(fā)的其他領(lǐng)域仍需要進(jìn)一步研究。對(duì)于要在商業(yè)上使用的UV LEDs，器件必須具有高效的功率轉(zhuǎn)換和較長(zhǎng)的使用壽命。目前LED在運(yùn)行時(shí)的電壓降比帶隙大得多，高Al組分摻雜的困難而在n型和p型電流擴(kuò)展層產(chǎn)生的高電阻，半導(dǎo)體材料的大帶隙和器件結(jié)構(gòu)中多個(gè)異質(zhì)結(jié)的存在，導(dǎo)致沒有合適的歐姆接觸也影響操作電壓。此外，低外量子效率的紫外光 LED有著大串聯(lián)電阻會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的器件自發(fā)熱，也影響器件的使用壽命。目前用于可見GaN LED的標(biāo)準(zhǔn)芯片技術(shù)正在應(yīng)用于紫外光LED。為了生產(chǎn)高效率的紫外光LED

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本文編號(hào)：2793830