AlGaN基量子阱结构中的发光偏振特性及调控研究

发布时间：2020-08-15 07:53

【摘要】：为了实现高性能AlGaN深紫外发光二极管的结构设计,减少电子泄漏,提高空穴注入,优化载流子的分布,提高正面出光效率。本文围绕深紫外发光二极管所必须解决的发光特性问题,通过优化AlGaN发光二极管结构设计来提升器件性能,具体开展的研究工作如下:(1)通过APSYS软件设计了Al组分缓变的新型AlGaN量子阱结构。对比采用传统结构与Al组分渐变的量子阱结构,研究不同的量子阱Al组分变化方式对器件性能的影响。结果表明,采用Al组分渐变的量子阱结构能够显著减少量子阱间因AlGaN材料的强极化效应导致的电子空穴波函数分离,减少量子阱中的平均电场强度,实现更有效的载流子复合,显示出良好的器件性能。在此基础上我们又进一步设计Al组分缓变量子阱结构,分析表明,缓变Al组分量子阱结构不仅具备渐变结构的优点而且能够显著提高电子阻挡层的势垒高度,从而减小电子泄漏,提高空穴的注入效率,因此深紫外发光二极管的器件性能得以进一步提升。(2)通过APSYS软件设计了宽台阶状末层量子垒(LQB)。对比采用传统结构与宽末层量子垒结构,研究宽台阶状末层量子垒对AlGaN深紫外发光器件的性能影响。仿真结果表明,采用更宽的台阶状末层量子垒的设计可以显著提高器件的内量子效率以及发光功率。器件性能显著提升的主要原因是相比传统的10nm固定Al组分AlGaN末层量子垒,20nm的AlGaN末层量子垒特别是两层台阶状末层量子垒由于在靠近电子阻挡层的台阶层Al组分较低因此可以有效提高AlGaN电子阻挡层的有效势垒高度,从而增强电子在有源区的限制,减少电子的泄漏,并且价带中更低的势垒高度也有利于空穴的注入和传输,因而提高载流子辐射复合速率,改善器件综合性能。(3)通过APSYS软件设计和模拟了非对称台阶状末层量子垒(LQB)结构,对比采用了传统结构和宽度更大的末层量子垒结构,研究非对称台阶状末层量子垒结构对深紫外发光二极管性能的影响,模拟结果表明非对称台阶末层量子垒可有效提高电子阻挡层的有效势垒高度,同时降低空穴的有效势垒高度,因此可以强化对有源区电子的限制作用,增加空穴的有效注入与传输效率,表现出良好的器件性能。深入分析表明,当组分更高的台阶层厚度较小时,其量子阱中有着更小的平均电场强度,减少了阱中电子空穴波函数的分离,实现更合理的载流子分布调制,提高了电子和空穴的有效辐射复合率,从而显著提高器件的光电性能。
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8
【图文】：

因此，需要进一步的研究来提高紫外LED的性能，以使其成为市场上的主导者。图1-1 紫外光辐射的应用1.2 紫外发光器件的研究进展1996年至1999年间，几个研究小组开始研究波长小于360 nm的AlGaN基紫外光LED[7-9]。在美国，针对DUV光源的研究最初是由DARPA的半导体紫外光源(SUVOS)计划推动的。1998年，Han小组采用Al0.2Ga0.8N/GaN多量子阱结构成功研制出了世界上首只波长小于360 nm的紫外LED，发光波长为353.6 nm，但其在20 mA的电流注入下其输出功率仅为13 μW，外量子效率也小于1 %[10]。此后，随着国际上大量的研究小组投身于AlGaN材料研究以及生长技术的改善

[19]。图1-2 近年来不同研究小组报道的从近紫外到深紫外发光器件的外量子效率2012年，RIKEN和Panasonic公司开发出了发光波长为270 nm的可用于商业用途的深紫外LED并投入了大规模的生产，其产品的发光功率为10 mW，使用寿命高达10000 h[20,21]。2013年，PengDong在注入电流为20mA下，实现了波长为282nm外量子效率为3.45%，输出功率为3.03mW的深紫外LED。紧接着A Fujioka等人也制备出在注入电流为350 mA时，输出功率分别为45.2 mW、93.3 mW以及65.8mW的发光波长为255 nm、280nm以及310 nm的UV LED。2014年

偏振光出光则集中于侧面，因而难以从沿c轴生长的材料正面有效抽取，因此波长越短的深紫外LED的光越难被正面抽取。图1-3 (In) AlGaN紫外发光二极管结构及面临的挑战虽然大多数研究工作都是针对提高紫外LED的内量子效率，但器件开发的其他领域仍需要进一步研究。对于要在商业上使用的UV LEDs，器件必须具有高效的功率转换和较长的使用寿命。目前LED在运行时的电压降比带隙大得多，高Al组分掺杂的困难而在n型和p型电流扩展层产生的高电阻，半导体材料的大带隙和器件结构中多个异质结的存在，导致没有合适的欧姆接触也影响操作电压。此外，低外量子效率的紫外光 LED有着大串联电阻会导致严重的器件自发热，也影响器件的使用寿命。目前用于可见GaN LED的标准芯片技术正在应用于紫外光LED。为了生产高效率的紫外光LED

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本文编号：2793830