【摘要】：為了實現(xiàn)高性能AlGaN深紫外發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)設計,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)設計來提升器件性能,具體開展的研究工作如下:(1)通過APSYS軟件設計了Al組分緩變的新型AlGaN量子阱結(jié)構(gòu)。對比采用傳統(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材料的強極化效應導致的電子空穴波函數(shù)分離,減少量子阱中的平均電場強度,實現(xiàn)更有效的載流子復合,顯示出良好的器件性能。在此基礎上我們又進一步設計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)點而且能夠顯著提高電子阻擋層的勢壘高度,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一步提升。(2)通過APSYS軟件設計了寬臺階狀末層量子壘(LQB)。對比采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與寬末層量子壘結(jié)構(gòu),研究寬臺階狀末層量子壘對AlGaN深紫外發(fā)光器件的性能影響。仿真結(jié)果表明,采用更寬的臺階狀末層量子壘的設計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階狀末層量子壘由于在靠近電子阻擋層的臺階層Al組分較低因此可以有效提高AlGaN電子阻擋層的有效勢壘高度,從而增強電子在有源區(qū)的限制,減少電子的泄漏,并且價帶中更低的勢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合速率,改善器件綜合性能。(3)通過APSYS軟件設計和模擬了非對稱臺階狀末層量子壘(LQB)結(jié)構(gòu),對比采用了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和寬度更大的末層量子壘結(jié)構(gòu),研究非對稱臺階狀末層量子壘結(jié)構(gòu)對深紫外發(fā)光二極管性能的影響,模擬結(jié)果表明非對稱臺階末層量子壘可有效提高電子阻擋層的有效勢壘高度,同時降低空穴的有效勢壘高度,因此可以強化對有源區(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,當組分更高的臺階層厚度較小時,其量子阱中有著更小的平均電場強度,減少了阱中電子空穴波函數(shù)的分離,實現(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合率,從而顯著提高器件的光電性能。
【學位授予單位】：安徽工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN312.8
【圖文】：

因此，需要進一步的研究來提高紫外LED的性能，以使其成為市場上的主導者。圖1-1 紫外光輻射的應用1.2 紫外發(fā)光器件的研究進展1996年至1999年間，幾個研究小組開始研究波長小于360 nm的AlGaN基紫外光LED[7-9]。在美國，針對DUV光源的研究最初是由DARPA的半導體紫外光源(SUVOS)計劃推動的。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小于360 nm的紫外LED，發(fā)光波長為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，隨著國際上大量的研究小組投身于AlGaN材料研究以及生長技術的改善

[19]。圖1-2 近年來不同研究小組報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10000 h[20,21]。2013年，PengDong在注入電流為20mA下，實現(xiàn)了波長為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，輸出功率分別為45.2 mW、93.3 mW以及65.8mW的發(fā)光波長為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軸生長的材料正面有效抽取，因此波長越短的深紫外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)研究工作都是針對提高紫外LED的內(nèi)量子效率，但器件開發(fā)的其他領域仍需要進一步研究。對于要在商業(yè)上使用的UV LEDs，器件必須具有高效的功率轉(zhuǎn)換和較長的使用壽命。目前LED在運行時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型電流擴展層產(chǎn)生的高電阻，半導體材料的大帶隙和器件結(jié)構(gòu)中多個異質(zhì)結(jié)的存在，導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)電阻會導致嚴重的器件自發(fā)熱，也影響器件的使用壽命。目前用于可見GaN LED的標準芯片技術正在應用于紫外光LED。為了生產(chǎn)高效率的紫外光LED

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本文編號：2793830