GaN基LED电子阻挡层的第一性原理计算和设计

发布时间：2020-06-19 23:56

【摘要】：AlGaN材料由于其较宽的能带,被广泛的应用于GaN基LED作为电子阻挡层(electron blocking layer,EBL)。其存在的意义是能够抑制量子阱InGaN/GaN中的电子泄露,增加电子和空穴的辐射复合效率,提高LED量子效率。南昌大学江风益教授课题组发现了合适Al浓度AlGaN EBL可以阻挡量子阱InGaN/GaN中的电子泄露,同时促进p-GaN区空穴注入到有源区,提高了GaN基LED的量子效率。深入理解AlGaN EBL与量子阱InGaN/GaN接触所形成的界面性质,以及AlGaN EBL阻挡有源区中电子泄露的物理机理,对于减少GaN基LED中的量子“droop”效应,提高LED器件性能具有重要的科学价值和实际意义。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势方法,开展了GaN基LED器件中AlGaN EBL阻挡电子泄露的物理机理的研究。主要结论归纳有:本文构建了不同厚度(n+m)AlN/GaN(0001)和不同Al浓度Al_xGa_(1-x)N/GaN(0001)(0x≤1)超晶格模型,并运用宏观平均静电势法对其界面的能带带阶和极化电场进行计算。计算发现厚度可以调节AlN/GaN(0001)SLs的能带带阶和极化电场,为研究不同Al浓度Al_xGa_(1-x)N/GaN(0001)SLs界面性质奠定基础。计算得到不同Al浓度Al_xGa_(1-x)N/GaN(0001)SLs的VBO(x)≈-0.3378x~2+0.6596x-0.0119(eV),和CBO(x)≈0.4006 x~2+0.9401x-0.0187(eV);同时,极化电场随Al浓度增加而增强。结果证实了选择合适Al浓度AlGaN EBL,不仅可以阻挡有源区的电子泄露,还可以促进p-GaN区空穴注入到有源区,与江等人研究的合适Al浓度AlGaN EBL阻挡电子泄露的实验现象吻合。采用第一性原理赝势法,分析了不同Al浓度(10+8)Al_xGa_(1-x)N/GaN(0001)SLs的电子结构,计算发现随着Al浓度增加界面处电荷聚集增多,极化电场增强,能带带阶增加,能带弯曲更加明显。基于AlGaN EBL抑制电子泄露物理机理的研究,进一步研究了不同In组分量子阱InGaN/GaN中电子泄露的情况。结果发现In组分可以调制In_yGa_(1-y)N/GaN(0001)界面的能带带阶和极化电场,导致量子阱InGaN/GaN中不同程度的电子泄露。论文创新性地提出了“协同效应”:即GaN基LED量子阱InGaN/GaN中In组分与AlGaN EBL中Al浓度之间存在着协同的作用。该效应的提出为实验上实现高光效的LED提供了新的设计思路和理论依据。
【学位授予单位】：江西科技师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN312.8
【图文】：

第 1 章 绪论 LED 中存在的大的难题，就是其量子效率随着电量子损失的现象，尤其是在高电流密度下，就是所量子 droop 效应的因素有很多，如俄歇复合[10-11]，化电场[13-14]和电子泄露[13,15]等。其中电子泄露是主决 LED 器件中的电子泄露的现象，减少量子 droo LED 器件的多量子阱（Multiple quantum wells，与电流阻挡层 p 型 GaN 区之间生长一定厚度的 Alocking layer，简称 EBL）[16]，正如图 1.1 所示。挡层与量子阱 InGaN/GaN 中最后一层的量子阱r，简称 LQB）接触形成的 EBL/LQB 界面，其界bandoffset），使得量子阱内的电子难以越过的，区内，使得电子和空穴的辐射复合增加，从而提高internal quantum efficiency，简称 IQE）。通过调研

electricfield），原因是由于两个半导体材料的晶格不匹配导致的。同时，EBL/LQB界面也会有极化电荷的产生，极化电荷的存在使得 AlGaN/GaN 界面发生能带弯曲，同时使得界面处的势垒高度和能带结构也发生显著的变化。如图1.3中所示，Han 等人[27]利用 APSYS 软件模拟出的不含 AlGaN EBL 和含有 AlGaN EBL 的LED 器件的能带结构示意图。AlGaN EBL 的存在，使得 EBL/LQB 界面处的电子势垒高度和空穴势垒高度出现尖峰，同时伴随着很强的极化电场，从而阻挡电子泄露，当然也对空穴的注入有很大影响。另外，这样也会直接导致了在异质结界面处有二维电子气[28]（two dimensional electron gas，简称 2DEG）的形成。1.4 本文背景及研究现状近年来，Ⅲ族氮化物半导体材料被广泛的应用在 LED 光电器件中。并且，GaN 基 LED 的发展也已经取得了巨大的进步。如已经成功的制备出高光效的 Si衬底蓝光 LED

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本文编号：2721535