AlGaN基深紫外LED超晶格p型掺杂的研究

发布时间：2020-07-02 03:20

【摘要】：AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LED)因其在光学存储、危险品检测、生物医药学、杀菌医疗、深度净化、固态照明、全彩色显示等众多领域的应用价值,吸引了许多研究学者的广泛关注。但是目前还存在一些亟待解决的难题,如载流子渗漏、p型掺杂困难、内量子效率依旧不高和低的光抽取效率功率等问题制约着AlGaN基深紫外LED进一步发展,因此为了能获得更高功率和内量子效率的深紫外LED,已经有多个研究课题组设计应用不同的器件结构对LED的性能加以改善和提高。本论文主要是基于课题组原有的实验数据和模拟工作,凝炼出基准的AlGaN基DUV-LED结构(本文称为传统结构),进一步应用APSYS软件针对其p型掺杂层进行研究,在一系列的数值模拟计算中,通过调整器件结构参数,提出具有更优性能的新型LED结构——变Al组分垒层的p型超晶格掺杂的AlGaN基DUV-LED(PSL型LED),即将电子阻挡层(EBL)之上的传统的p型AlGaN层设计成为变垒中Al组分的p型超晶格掺杂层,然后选取一系列模拟工作中的三种特殊的新型PSL结构(p型超晶格的阱层中A1组分保持不变,改变垒层中Al组分)与传统结构相互比较,对四种结构的LED器件性能和内部物理机制进行研究和结果讨论,并通过实验进行验证。论文主要内容如下:1)首先简单介绍了 AlGaN基DUV-LED的基本性质和发光机理,然后讨论了 DUV-LED的市场应用前景、所存问题及解决方案。接着介绍了 AlGaN基DUV-LED的模拟方法,比如半导体器件的物理模型和基本方程,扼要介绍了 APSYS软件能够仿真的半导体器件种类,其操作环境和大致操作流程。2)对AlGaN基DUV-LED超晶格p型掺杂的研究,应用APSYS软件构建了四种不同的LED,结构A、B和C是新型超晶格p型掺杂结构,即将EBL层上传统的p型AlGaN层设计成为超晶格结构,超晶格的阱中Al组分都是0.4,垒层中Al组分不同,分别是0.5、0.55和0.6对应于结构A、B和C。结构D为传统的p型掺杂结构。然后对这四种结构进行模拟计算,通过比较内量子效率、发光功率、EL、电场强度、辐射复合效率、载流子浓度分布和能带结构图,发现垒层中A1组分为0.55的p型超晶格结构B,有更强的载流子限制作用,能使更多的空穴输运到有源区,从而有更优秀的器件输出性能。3)介绍了 PSL型AlGaN基DUV-LED的外延与表征,为了在实验上加以验证,我们用金属氧化物化学气相淀积(MOCVD)的方法分别生长了理论模拟的新的p型超晶格结构B和传统结构D,对二者进行了实验表征,包含PL和CL特性的测试,实验结果表明新型的p型超晶格DUV-LED的发光性能和电学性能相对传统结构DUV-LED有大幅提升。实验结果与APSYS软件模拟计算的结果保持一致,使用新型的变A1组分垒层p型超晶格掺杂层结构的DUV-LED可以大幅提高器件性能,这种独特的设计方法有良好的应用前景和使用价值。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8
【图文】：

图１．２．１邋ｍ族氮化物材料的晶格常数与禁带宽度之间的关系图逡逑

图１．２．２邋ＩＩＩ族氮化物的（ａ）纤锌矿和（ｂ）闪锌矿晶体结构示意图逡逑在大气压强和室温条件下，ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡＩＮ的晶体结构通常是呈六方对称逡逑的纤锌矿结构，如图１．２．２（ａ），它们都是有稳定热力学性质的强离子性晶体。以逡逑纤锌矿ＧａＮ为例，它属于六角密堆积结构，每个晶胞内包含６个Ｇａ原子和６个逡逑Ｎ原子总共有１２个原子，它的晶格常数ａ为３．１８９邋Ａ，ｃ为５．１８５邋Ａ【｜６】。此外，逡逑如图１．２．２邋（ｂ）还有闪锌矿结构的ＩＩＩ族氮化物，闪锌矿结构的ＧａＮ属于立方密堆逡逑积结构。表１．２．１是三种典型的ＩＩＩ族氮化物的物理参数。逡逑表１．２．１纤锌矿丨ｎＮ、Ａ１Ｎ和ＧａＮ材料的物理参数［１７】逡逑ＩｎＮ逦Ａ邋ＩＮ逦ＧａＮ逡逑晶格常数邋ａ邋（Ａ）逦３＾４８逦ＵＵ逦＾１８９逡逑晶格常数邋ｃ邋（Ａ）逦５．７０５逦４．９８２逦５．１８５逡逑

【参考文献】

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本文编号：2737668