AlGaN基深紫外发光二极管的结构设计及性能提升研究

作     者：刘梦然 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘超

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：AlGaN DUV LEDs 外量子效率 光输出功率 载流子注入效率 辐射复合率 

摘      要：汞灯是目前主要的深紫外光源,但它具有易碎、功耗大、预热时间长、体积大的缺点,且易造成严重的环境污染。AlGaN材料体系不仅具有直接带隙,而且其禁带宽度可以随着Ⅲ族元素的组成比例的变化而变化,因此基于AlGaN材料体系的发光二极管(LED)发光光谱几乎能够覆盖整个紫外波段(210-400 nm);此外,AlGaN基深紫外LED具有功耗低、寿命长、尺寸小的优点,并且对环境无污染,在空气/水净化、杀菌消毒,医学治疗,生物化学等领域有广阔的应用前景。因此,AlGaN基深紫外LED是最有希望替代汞灯的深紫外发光器件。经过国内外近二十年的研究,大部分AlGaN基深紫外LED的外量子效率(EQE)仍然低于10%,并且发光波长越短,EQE越低。AlGaN基深紫外LED发光效率低的原因主要包括外延层质量欠佳,电流拥挤,载流子注入效率低,光提取效率低,以及有源区中由于极化电场的存在而导致的低电子空穴波函数重叠率。已有研究报道通过优化器件的有源区、电子阻挡层(p-EBL)的外延结构、衬底结构和电极材料等方法来提高AlGaN基深紫外LED的发光效率。本论文主要针对深紫外LED的载流子注入效率低和电流拥挤的问题,通过半导体器件仿真技术对AlGaN基深紫外LED的最后一个量子垒(LQB)与p-EBL的接触界面以及空穴注入层(HIL)进行了结构优化来提升器件的光电性能。具体研究内容如下:(1)提出在LQB与p-EBL的界面处插入AlxGa1-xN/AlyGa1-yN超晶格结构以提升深紫外LED的空穴注入效率及光电性能,并优化超晶格插入层的Al组分,找到对器件性能提升效果最好的超晶格Al组分。通过对比分析器件的EQE、光输出功率、能带结构、电子和空穴浓度分布、极化电荷密度等数据,得出Al0.67Ga0.33N/Al0.7Ga0.3N超晶格结构与p-EBL接触的界面处可以产生负的极化电荷,其对空穴的吸引作用可以增加p-EBL中的空穴浓度,并且空穴在超晶格中的隧穿效应也有利于其输运到有源区中,最终提升有源区内的空穴浓度和辐射复合率。(2)研究了在LQB与p-EBL之间插入高Al组分的Al0.75Ga0.25N插入层提升深紫外LED载流子注入效率的物理机制,并提出了 Al组分沿着[0001]方向线性增加的Al0.57～0.75Ga0.43～0.25N插入层来进一步优化器件的光电特性。研究结果表明,高Al组分的A10.75Ga0.25N插入层可以在Al0.75Ga0.25N/p-EBL界面引入负的极化电荷,而在LQB/Al0.75Ga0.25N界面引入正的极化电荷,虽然前者有利于提升空穴的注入效率,但是后者限制了 p-EBL对电子泄漏的阻挡能力。然而,采用初始Al组分与LQB相同,终止Al组分高于p-EBL的Al0.57～0.75Ga0.43～0.25N插入层,则可以在提升空穴注入效率的同时,增强对电子的束缚能力,最终在不损害器件正向电压的情况下提升深紫外LED的EQE和光输出功率。(3)用 Al 组分沿着[0001]方向线性降低的 p-Al0.5～0.4Ga0.5～0.6N/n-Al0.4～0.3Ga0.6～0.7N PN结HIL来代替传统的具有单一 Al组分的p型HIL,这个结构可以通过极化作用诱导三维空穴气(3DHG)的产生,从而增加HIL中的平均空穴浓度,并且该HIL与p-EBL接触的界面处的空穴势垒比传统结构的低,这使得空穴能够更容易地从HIL越过p-EBL,注入到有源区中,从而使器件有源区中的空穴浓度和辐射复合率得到提高。此外,通过对器件的横向空穴浓度分布、Ⅰ-Ⅴ特性、等效电路图及能带图进行分析,发现该HIL中的n-Al0.4～0.3Ga0.6～0.7N层还能够在HIL中引入阻碍空穴沿垂直方向输运的势垒,调节HIL的电阻,使更多的空穴能够横向扩展,从而同时提高深紫外LED的空穴注入效率并改善电流扩展。