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高质量的AlGaN外延结构和UVC垂直腔面发射激光器的实现

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Science China Materials 2023年第5期66卷 1978-1988页

作者：郑重明王玉坤胡建正郭世平梅洋龙浩应磊莹郑志威张保平 Department of Electronic Engineering Optoelectronics Engineering Research CenterSchool of Electronic Science and Engineering(National Model Microelectronics College)Xiamen UniversityXiamen 361005China Advanced Micro-Fabrication Equipment Inc. Shanghai 201201China

AlGaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其优越的材料性质和器件优点吸引了很多关注.然而,由于材料外延生长和器件制备工艺的局限,AlGaN基VCSEL制备很困难.本工作通过侧向外延生长技术制备了高质量的AlGaN多量子阱(MQWs)结构的外延片,并通... 详细信息

AlGaN基垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其优越的材料性质和器件优点吸引了很多关注.然而,由于材料外延生长和器件制备工艺的局限,AlGaN基VCSEL制备很困难.本工作通过侧向外延生长技术制备了高质量的AlGaN多量子阱(MQWs)结构的外延片,并通过X射线衍射(XRD)和光致发光(PL)实验对外延片进行了分析.XRD测量显示,外延片中的AlN模板层几乎是弛豫的,刃位错密度为10^(9)cm^(-2).随后,生长的AlGaN/AlN超晶格(SL)层被用来减少刃位错密度,使得量子阱中的位错密度为10^(8)cm^(-2).根据PL测试结果,MQWs的内量子效率(IQE)为62%,且在室温下的发光以辐射复合为主.通过激光剥离(LLO)和化学机械抛光(CMP)技术,将这些外延片制备成UVC VCSEL.经过这些工艺,MQWs的晶体质量没有受到影响,还在抛光之后的表面观察到了UVC波段的受激辐射.这些AlGaN基UVC VCSEL在275.91,276.28和277.64 nm实现了激射,最小激射阈值为0.79 MW cm^(-2).

关键词： AlGaN vertical-cavity surface-emitting lasers epitaxial lateral overgrowth laser lift-off UVC

利用AlGaN耦合作用调控WS_(2)层内和层间谷激子

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Science China Materials 2023年第1期66卷 202-210页

作者：曾鑫龙康闻宇周小文李玲龙夏源政刘海洋杨成彪吴雅苹吴志明李煦康俊勇 College of Physical Science and Technology Key Laboratory of Semiconductors and Applications of Fujian ProvinceCollege of Chemistry and Chemical EngineeringJiujiang Research InstituteXiamen UniversityXiamen 361005China School of Physics Southeast UniversityNanjing 211189China

二维材料中的激子跃迁和能谷极化过程具有丰富的能谷物理特性,因此具有极大的研究价值.本文发现,单层和双层WS_(2)中激子和能谷特性可以通过耦合不同掺杂浓度的AlGaN进行有效调控.当WS_(2)和n型AlGaN耦合时,会出现显著的激子能量红移.... 详细信息

二维材料中的激子跃迁和能谷极化过程具有丰富的能谷物理特性,因此具有极大的研究价值.本文发现,单层和双层WS_(2)中激子和能谷特性可以通过耦合不同掺杂浓度的AlGaN进行有效调控.当WS_(2)和n型AlGaN耦合时,会出现显著的激子能量红移.值得一提的是,来自AlGaN的层间电荷转移作用会促使双层WS_(2)形成II型能带,进而产生层间激子跃迁.层内激子峰和层间激子峰的能量和强度还可以通过双层WS_(2)中的转角进行调控.在13 K条件下,通过耦合n型AlGaN,单层WS_(2)的谷极化率高达82.2%.这是由于AlGaN的电子-声子相互作用会带来更高的激子衰减速率,且掺杂导致的载流子屏蔽效应会减少层间谷散射.层间激子的谷极化率明显高于层内激子,这是由于在层间激子中电子-空穴相互作用较弱,导致层间谷散射受到抑制.本文提出了一种简便有效的方法来调控二维材料的激子特性,在单层WS_(2)中实现了极高的谷极化,并在双层WS_(2)中诱导出层间激子.这些发现将激发谷激子物理学的创新探索,并推动新兴的谷电子器件的应用研究.

关键词： AlGaN 二维材料激子屏蔽效应衰减速率极化过程创新探索极化率

Reversing abnormal hole localization in high-Alcontent AlGaN quantum well to enhance deep ultraviolet emission by regulating the orbital state coupling

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Light(Science & Applications) 2020年第1期9卷 1001-1008页

作者： Li Chen Wei Lin Huiqiong Wang Jinchai Li Junyong Kang Engineering Research Center of Micro-nano Optoelectronic Materials and Devices Ministry of Education/Fujian Provincial Key Laboratory of Semiconductor Materials and Applications/Collaborative Innovation Center for Optoelectronic Semiconductors and Efficient Devices/Department of PhysicsXiamen University361005 XiamenChina Present address:Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering Chinese Academy of Sciences315201 NingboZhejiangChina

AlGaN has attracted considerable interest for ultraviolet(UV)applications.With the development of UV optoelectronic devices,abnormal carrier confinement behaviour has been observed for c-plane-oriented AlGaN quantum wells(QWs)with high Al content.Because of the dispersive crystal field split-off hole band(CH band)composed of pz orbitals,the abnormal confinement becomes the limiting factor for efficient UV light emission.This observation differs from the widely accepted concept that confinement of carriers at the lowest quantum level is more pronounced than that at higher quantum levels,which has been an established conclusion for conventional continuous potential wells.In particular,orientational pz orbitals are sensitive to the confinement direction in line with the conducting direction,which affects the orbital intercoupling.In this work,models of Al_(0.75)Ga_(0.25)N/AlN QWs constructed with variable lattice orientations were used to investigate the orbital intercoupling among atoms between the well and barrier regions.Orbital engineering of QWs was implemented by changing the orbital state confinement,with the well plane inclined from 0°to 90°at a step of 30°(referred to the c plane).The barrier potential and transition rate at the band edge were enhanced through this orbital engineering.The concept of orbital engineering was also demonstrated through the construction of inclined QW planes on semi-and nonpolar planes implemented in microrods with pyramid-shaped tops.The higher emission intensity from the QWs on the nonpolar plane compared with those on the polar plane was confirmed via localized cathodoluminescence(CL)maps.

关键词： AlGaN quantum ultraviolet

利用W形空穴阻挡层降低AlGaN基深紫外激光二极管的空穴泄露

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原子与分子物理学报 2023年第5期40卷 105-110页

作者：贾李亚张鹏飞张傲翔王芳刘俊杰刘玉怀郑州大学信息工程学院电子材料与系统国际联合研究中心河南省电子材料与系统国际联合实验室郑州450001 郑州大学传感器研究院郑州450001 郑州大学产业技术研究院有限公司郑州450001 郑州唯独电子科技有限公司郑州450001

本文设计了V形和W形的空穴阻挡层(HBL)结构,改善空穴在AlGaN基深紫外激光二极管(DUV-LD)n型区的泄露问题.使用Crosslight软件,将参考型矩形、V形和W形三种空穴阻挡层结构进行仿真研究,分别比较了三种不同结构的DUV-LD能带、n区空穴浓度... 详细信息

本文设计了V形和W形的空穴阻挡层(HBL)结构,改善空穴在AlGaN基深紫外激光二极管(DUV-LD)n型区的泄露问题.使用Crosslight软件,将参考型矩形、V形和W形三种空穴阻挡层结构进行仿真研究,分别比较了三种不同结构的DUV-LD能带、n区空穴浓度、辐射复合率、电光转换效率、有源区载流子浓度等特性,结果表明,具有W形空穴阻挡层的DUV-LD拥有更高的空穴有效势垒高度、更高的辐射复合率、更低的空穴泄露以及更好的斜率效率,可以有效降低深紫外激光二极管在n型区的空穴泄露,提升其光学和电学性能.

关键词： AlGaN 深紫外激光二极管空穴阻挡层空穴泄露

基于Pt/GaN/AlGaN异质结高响应度双波段紫外探测器

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光学学报 2023年第3期43卷 7-13页

作者：吴刚唐利斌郝群邓功荣张逸韵秦强袁绶章王静宇魏红严顺英谭英孔金丞北京理工大学光电学院北京100081 昆明物理研究所云南昆明650223 云南省先进光电子材料与器件重点实验室云南昆明650223 中国科学院半导体研究所固体照明研究开发中心北京100090

提出一种在AlGaN基PIN器件的pGaN表面上沉积Pt,形成肖特基势垒(SB)-PIN异质结器件,器件的能带和载流子的输运发生了变化,这种新型光电探测器实现了双波段紫外探测,可分别工作在光伏和光电导模式下。器件在275 nm波长的紫外光照射的负偏... 详细信息

提出一种在AlGaN基PIN器件的pGaN表面上沉积Pt,形成肖特基势垒(SB)-PIN异质结器件,器件的能带和载流子的输运发生了变化,这种新型光电探测器实现了双波段紫外探测,可分别工作在光伏和光电导模式下。器件在275 nm波长的紫外光照射的负偏置电压下,工作模式为光伏探测,当入射光功率密度为100μW/cm^(2),偏置电压为-10 V时,器件得到最大响应度(0.12 A/W);当偏置电压为-0.5 V时,器件得到最大探测率(1.0×10^(13) cm·Hz^(1/2)·W^(-1))。器件在正偏置电压工作模式下可作为高响应、高增益的光电导探测器,当偏置电压为+10 V时,用275 nm和365 nm波长的紫外光照射(光功率密度为100μW/cm^(2)),器件的响应度分别为10 A/W和14 A/W,外量子效率分别为4500%和4890%。所设计的双波段多功能器件将极大地扩展基于AlGaN的紫外探测器的用途。

关键词：探测器双波段紫外探测器 AlGaN 异质结响应度

Modeling the degradation mechanisms of AlGaN-based UV-C LEDs:from injection efficiency to mid-gap state generation

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Photonics Research 2020年第11期8卷 1786-1791页

作者： F.Piva C.De Santi M.Deki M.Kushimoto H.Amano H.Tomozawa N.Shibata G.Meneghesso E.Zanoni M.Meneghini Department of Information Engineering University of PadovaPadovaItaly Institute of Materials and Systems for Sustainability(IMaSS) Nagoya UniversityNagoya 464-8601Japan Nikkiso Giken Co. Ltd.1-5-1 AsahigaokaHakusanIshikawa 924-0004Japan

In this work,we analyze and model the effect of a constant current stress on an ultraviolet light-emitting diode with a nominal wavelength of 285 nm.By carrying out electrical,optical,spectral,and steady-state photocapacitance(SSPC)analysis during stress,we demonstrate the presence of two different degradation mechanisms.The first one occurs in the first 1000 min of stress,is ascribed to the decrease in the injection efficiency,and is modeled by considering the defect generation dynamics related to the de-hydrogenation of gallium vacancies,according to a system of three differential equations;the second one occurs after 1000 min of stress and is correlated with the generation of mid-gap defects,for which we have found evidence in the SSPC measurements.Specifically,we detected the presence of deep-level states(at 1.6 eV)and mid-gap states(at 2.15 eV),indicating that stress induces the generation of non-radiative recombination centers.

关键词： AlGaN injection state

AlGaN基紫外激光器超晶格p型注入层研究

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厦门大学学报（自然科学版） 2022年第2期61卷 202-206页

作者：李呈盛李洁璐李书平厦门大学物理科学与技术学院福建厦门361005

AlGaN基紫外激光器(LD)已被广泛应用于生物、化学等领域,但目前还存在着诸如自发极化效应强烈、载流子注入效率低等问题,因此对于该类型LD的研究和改良十分重要.本文参考相关文献实验样品结构,采用PICS3D仿真软件,对不同结构的AlGaN基... 详细信息

AlGaN基紫外激光器(LD)已被广泛应用于生物、化学等领域,但目前还存在着诸如自发极化效应强烈、载流子注入效率低等问题,因此对于该类型LD的研究和改良十分重要.本文参考相关文献实验样品结构,采用PICS3D仿真软件,对不同结构的AlGaN基电注入边发射紫外LD进行仿真计算,在实验样品基础上提出了具有更加优异光电性能的超晶格p型层激光器结构,并通过比较能带结构、辐射复合率、电流分布等性质,进一步分析了激光器性能提升的机制.最终得到的优化后的紫外激光器具有更高的光输出功率、载流子注入、受激辐射复合率,更低的阈值电流、串联电阻、电子泄露等,实现了紫外激光器的性能提升.

关键词： AlGaN 紫外激光器超晶格 p型注入层

Theoretical analysis for AlGaN avalanche photodiodes with mesa and field plate structure

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Chinese Physics B 2020年第8期29卷 520-524页

作者：董可秀陈敦军蔡青刘燕丽王玉杰 School of Mechanical and Electrical Engineering Chuzhou UniversityChuzhou 239000China Key Laboratory of Advanced Photonic and Electronic Materials School of Electronic Science and EngineeringNanjing UniversityNanjing 210093China School of Information and Electronic Engineering Shandong Technology and Business UniversityYantai 264005China

To suppress the electric field crowding at sidewall and improve the detection sensitivity of the AlGaN separate absorption and multiplication(SAM)avalanche photodiodes(APDs),we propose the new AlGaN APDs structure combining a large-area mesa with a field plate(FP).The simulated results show that the proposed AlGaN APDs exhibit a significant increase in avalanche gain,about two orders of magnitude,compared to their counterparts without FP structure,which is attributed to the suppression of electric field crowding at sidewall of multiplication layer and the reduction of the maximum electric field at the p-type GaN sidewall in p-n depletion region.Meanwhile,the APDs can produce an obviously enhanced photocurrent due to the increase in cross sectional area of multiplication region.

关键词： AlGaN avalanche photodiodes mesa field plate

AlGaN基深紫外半导体发光器件的结构优化

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AlGaN基深紫外半导体发光器件的结构优化

作者：王梦真郑州大学

学位级别：硕士

Ⅲ族氮化物半导体材料因其带隙为直接带隙、禁带宽度范围广以及物理化学性质稳定等优良特性成为制备半导体发光器件的主要材料。其中Ⅲ族氮化物合金AlGaN材料通过调节Al组分,其禁带宽度对应发光波长可覆盖紫外波段,因此多用AlGaN材料来... 详细信息

Ⅲ族氮化物半导体材料因其带隙为直接带隙、禁带宽度范围广以及物理化学性质稳定等优良特性成为制备半导体发光器件的主要材料。其中Ⅲ族氮化物合金AlGaN材料通过调节Al组分,其禁带宽度对应发光波长可覆盖紫外波段,因此多用AlGaN材料来制备深紫外半导体发光器件。但目前因外延生长技术不完善问题,高质量的高Al组分AlGaN晶体生长困难,限制了器件性能。此外AlGaN材料的n型和p型掺杂效率低,特别是p型掺杂,使得有源区内载流子注入效率很低。除此之外,深紫外半导体发光器件还面临着有源区内载流子泄露率高、因AlGaN材料的极化效应导致的有源区内载流子波函数分离等问题,这些问题的存在极大程度的限制了器件的发光性能,使得其不能满足大规模应用需求,因此改善AlGaN基深紫外半导体发光器件的性能是当前急需解决的问题。本论文基于提高AlGaN基深紫外半导体发光器件性能的目的,对器件结构进行优化,通过仿真软件对其进行模拟计算,主要工作内容如下:1、为减少双异质结激光器有源区载流子泄露,在激光器中先引入一矩形空穴阻挡层,接着将矩形双阻挡层结构改为双梯形空穴阻挡层结构和多量子势垒电子阻挡层结构。通过仿真计算双阻挡层结构改进后的激光器的能带、有源区载流子浓度、受激辐射复合率以及电学特性值,与矩形双阻挡层结构激光器相比,其光学特性和电学特性都得到明显改善。2、为提高脊型结构激光器有源区内空穴注入效率,提出在激光器中插入一矩形空穴存储层用来诱导产生并存储空穴,之后对矩形空穴存储层结构改为Al组分呈阶梯向下的五阶梯结构,结构改进后的空穴存储层能诱导产生存储更多的空穴,传导至有源区的空穴随之增多,有源区中空穴注入效率提高。接着又研究了当结构改进后的空穴存储层位于激光器p区不同位置时对器件性能的影响,研究结果表明当结构改进后的空穴存储层位于激光器最后一层量子势垒和上波导层之间时,电子阻挡层电子势垒高度最高,空穴势垒高度最低,有源区内载流子泄露被显著抑制,空穴注入效率也得到改善。3、为提高发光二极管有源区内电子注入效率,提出一 Al组分呈阶梯上升的五阶梯式电子注入层结构,与矩形电子注入层结构相比,电子注入层中的电子注入电流密度明显提高,同时因阶梯式电子注入层形成的的极化场降低了电子的平均自由程,提高了量子阱对电子的捕获效率,所以有源区内电子浓度有效提高。通过对比其他表征器件性能参数值,结果显示电子注入层结构改进后的发光二极管有源区内自发辐射复合率以及光输出功率都得到明显提高,器件的发光性能得到改善。

关键词： AlGaN 深紫外半导体发光器件空穴阻挡层空穴存储层电子注入层