本文關(guān)鍵詞：AlGaN基深紫外LED的MOCVD外延生長

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【摘要】：AlGaN基深紫外發(fā)光二極管(LED)是一種新型的固態(tài)紫外光源。相對于傳統(tǒng)的紫外汞燈,AlGaN基紫外LED具有體積小、重量輕、功耗低、壽命長、環(huán)境友好、發(fā)光波長連續(xù)可調(diào)等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)。因此,在紫外相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注并開始滲透到汞燈的一些傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。但是,由于高Al組分AlGaN材料中缺陷密度高、量子阱區(qū)極化效應(yīng)較強(qiáng)、空穴注入效率低以及c面AlGaN材料出光困難等問題,AlGaN基紫外LED的外量子效率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于已經(jīng)商業(yè)化的InGaN基藍(lán)光LED。發(fā)光功率不足和量子效率偏低嚴(yán)重阻礙了紫外LED的應(yīng)用。 針對紫外LED面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題,本文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延(MOCVD)從AlN、AlGaN材料的外延制備出發(fā),結(jié)合AlGaN/AlGaN多量子阱(MQWs)和電子阻擋層(EBL)結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計和實(shí)驗驗證,通過深紫外LED結(jié)構(gòu)的外延生長工作最終實(shí)現(xiàn)了多個波段輸出光功率達(dá)到毫瓦量級的深紫外LED器件。本文中的研究內(nèi)容主要有以下幾個方面： (1)通過采用脈沖原子層外延(PALE)和傳統(tǒng)連續(xù)生長的結(jié)合,獲得了高質(zhì)量的AIN模板。通過對PALE過程中Ⅴ/Ⅲ比的調(diào)節(jié),提高A1N生長速度的同時改善了A1N的晶體質(zhì)量。采用優(yōu)化后的PALE生長工藝結(jié)合連續(xù)生長方式,有效改善了AlN薄膜的晶體質(zhì)量和表面形貌。此外,我們還詳細(xì)地研究了在A1N外延過程中采用中溫A1N插入層技術(shù)改善樣品晶體質(zhì)量的機(jī)理。 (2)首次在n型Al0.45Ga0.55N材料外延生長過程中引入SiNx原位掩膜生長技術(shù)以降低位錯密度。通過優(yōu)化SiNx生長時間有效改善了薄膜的晶體質(zhì)量,并建立模型闡述了SiNx插入層上Al0.45Ga0.55N的生長機(jī)理。 (3)成功制備了厚度達(dá)到2.5μm表面無裂紋的Si摻雜Al0.46Ga.54N。研究了不同周期數(shù)的AIN/AlGaN超晶格對Si摻雜Al0.49Ga0.51N的作用。在此基礎(chǔ)上,采用設(shè)計的兩套平均組分遞減的AlGaN/AIN超晶格結(jié)構(gòu)成功生長出厚度達(dá)到2.5μm,表面無裂紋的n型Al0.46Ga0.54N材料,其中n型載流子濃度達(dá)到3.09×1018cm-3。 (4)通過仿真和實(shí)驗研究了AlGaN/AlGaN多量子阱(MQWs)中阱厚度和Si摻雜對AlGaN/AlGaN MQWs發(fā)光性能的影響。最終,我們采用阱厚度3nm和阱、壘Si摻雜的設(shè)計,獲得了290nm發(fā)光效率較高的MQWs。 (5)采用APSYS軟件對UV-LED中的EBL進(jìn)行了研究。結(jié)果證明所提出的Al組分沿生長方向漸變(0.9-0.4)設(shè)計的EBL能夠有效改善電子的阻擋和空穴的注入。與采用Al0.7Ga0.3N EBL結(jié)構(gòu)的樣品相比,采用Al組分漸變EBL的UV-LED在發(fā)光功率和內(nèi)量子效率方面表現(xiàn)出了明顯的提升。 (6)通過理論模擬和實(shí)驗系統(tǒng)研究了多量子阱結(jié)構(gòu)中最后壘的摻雜對器件性能的影響。通過實(shí)驗,證明了最后壘中靠近EBL方向的一半厚度進(jìn)行Mg摻雜能夠有效提升UV-LED的性能,這與理論模擬結(jié)果符合較好。
【關(guān)鍵詞】：AlGaN 金屬有機(jī)氣相沉積 紫外發(fā)光二極管 AlGaN/AlGaN多量子阱電子阻擋層
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN312.8;TN304.055
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-29
• 1.1 Ⅲ族氮化物的性質(zhì)13-19
• 1.2 AlGaN基紫外LED19-27
• 1.3 本文的研究內(nèi)容和章節(jié)安排27-29
• 2 AlGaN基紫外LED的理論與實(shí)驗研究方法29-56
• 2.1 AlGaN基紫外LED器件仿真29-33
• 2.2 AlGaN金屬有機(jī)氣相沉積33-42
• 2.3 AlGaN基材料及紫外LED器件測試表征方法42-54
• 2.4 AlGaN基紫外LED芯片制備工藝54-55
• 2.5 本章小結(jié)55-56
• 3 AlN模板的外延生長56-78
• 3.1 已有實(shí)驗基礎(chǔ)57-62
• 3.2 PALE-AlN工藝研究62-68
• 3.3 PALE與連續(xù)生長結(jié)合生長AlN材料68-73
• 3.4 中溫AlN插入層的作用機(jī)理研究73-76
• 3.5 本章小結(jié)76-78
• 4 AlGaN材料的外延生長78-105
• 4.1 i型AlGaN材料的制備80-85
• 4.2 采用SiN_x原位掩膜技術(shù)制備高Al組分AlGaN85-93
• 4.3 基于超晶格技術(shù)的AlGaN制備93-104
• 4.4 本章小結(jié)104-105
• 5 AlGaN/AlGaN多量子阱結(jié)構(gòu)的外延生長105-120
• 5.1 AlGaN/AlGaN量子阱阱區(qū)厚度對發(fā)光的影響106-114
• 5.2 AlGaN/AlGaN量子阱Si摻雜對發(fā)光的影響114-118
• 5.3 本章小結(jié)118-120
• 6 AlGaN基紫外LED的外延生長120-143
• 6.1 AlGaN基紫外LED結(jié)構(gòu)理論設(shè)計121-130
• 6.2 290nm UV-LED的外延生長130-137
• 6.3 其他波段UV-LED的外延生長137-141
• 6.4 本章小結(jié)141-143
• 7 總結(jié)與展望143-145
• 致謝145-147
• 參考文獻(xiàn)147-167
• 附錄1 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文目錄167-169

【相似文獻(xiàn)】

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1 趙建芝;林兆軍;Corrigan T D;張宇;李惠軍;王占國;;Influence of annealed ohmic contact metals on electron mobility of strained AlGaN/GaN heterostructures[J];半導(dǎo)體學(xué)報;2009年10期

2 孫再吉;;開發(fā)插入AlGaN層的InAlN/AlGaN/GaN FETs[J];半導(dǎo)體信息;2010年04期

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本文編號：838033