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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

Sub-nanometer ultrathin epitaxy of AlGaN and its application in efficient doping

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Light(Science & Applications) 2022年第4期11卷 654-661页

作者： Jiaming Wang Mingxing Wang Fujun Xu Baiyin Liu Jing Lang Na Zhang Xiangning Kang Zhixin Qin Xuelin Yang Xinqiang Wang Weikun Ge Bo Shen State Key Laboratory of Artificial Microstructure and Mesoscopic Physics School of PhysicsPeking University100871 BeijingChina Nano-optoelectronics Frontier Center of Ministry of Education Peking University100871 BeijingChina Collaborative Innovation Center of Quantum Matter 100871 BeijingChina

Solving the doping asymmetry issue in wide gap semiconductors is a key dificulty and long-standing challenge for device applications.Here,a desorption-tailoring strategy is proposed to juggle the carrier concentration and transport.Specific to the p-doping issue in Al-rich AlGaN,self-assembled p-AlGaN superlattices with an average Al composition of over 50%are prepared by adopting this approach.The hole concentration as high as 8.1×10^(18)cm^(-3)is thus realized at room temperature,which is attributed to the signifcant reduction of effective Mg activation energy to 17.5 meV through modulating the activating path,as well as the highlighted Mg surface-incorporation by an intentional interruption for desorption.More importantly,benefting from the constant ultrathin barrier thickness of only three monolayers via this approach,vertical miniband transport of holes is verifed in the p-AlGaN superlattices,greatly satisfying the demand of hole injection in device application.280 nm deep-ultraviolet light emitting diodes are then fabricated as a demo with the desorption-tailored Al-rich p-AlGaN superlattices,which exhibit a great improvement of the carrier injection efficiency and light extraction efficiency,thus leading to a 55.7%increase of the light output power.This study provides a solution for p-type doping of Al-rich AlGaN,and also sheds light on solving the doping asymmetry issue in general for wide-gap semiconductors.

关键词： AlGaN ultrathin GaN

AlGaN基217nm p-i-n探测器制备与性能分析研究

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AlGaN基217nm p-i-n探测器制备与性能分析研究

作者：张冉广西大学

学位级别：硕士

AlGaN材料是直接宽禁带半导体材料的一种,通过调整铝组分,禁带宽度可以从3.4 e V(360 nm)到6.2 e V(200 nm),可以实现真正的日盲区(200-280 nm)检测。AlGaN基p-i-n结构日盲紫外探测器因其低工作电压、高输入阻抗和快速响应速度而成为研... 详细信息

AlGaN材料是直接宽禁带半导体材料的一种,通过调整铝组分,禁带宽度可以从3.4 e V(360 nm)到6.2 e V(200 nm),可以实现真正的日盲区(200-280 nm)检测。AlGaN基p-i-n结构日盲紫外探测器因其低工作电压、高输入阻抗和快速响应速度而成为研究的热点。然而,由于在现有的主流异质外延生长方法下,AlGaN和底层衬底之间的晶格和热不匹配,大密度的缺陷,如点缺陷、刃位错和螺位错,阻碍了AlGaN基日盲紫外探测器的性能,特别是AlGaN的p型掺杂问题,一直是个难点。本论文主要针对于AlGaN基紫外探测器的日盲区进行研究。从材料的外延生长和性能表征等方面展开研究,为器件在未来实用领域的发展奠定基础。为了提高AlGaN材料的p型掺杂问题和探测器的性能,采用MOCVD方法在c面蓝宝石衬底上制备了AlGaN外延材料,通过使用超晶格极化诱导P型掺杂技术,并在其中加入了三甲基铟(TMIn),并通过电感耦合等离子体(ICP)刻蚀等方法设计制备出高性能的AlGaN基日盲紫外探测器(PD),测试其光学和电学特性。结果显示,光谱响应范围在210-230 nm之间,未施加偏置电压时峰值响应度(R)为118 m A/W@217 nm,对应67.4%的外量子效率(EQE),响应波长在目前已报道的文献中是比较短的。当施加5 V反向偏置电压时,响应度为132 m A/W,对应的外量子效率为70.2%。此外,探测器的紫外/可见抑制比超过了三个数量级,检测率计算得6.7×10cm HzW。器件的性能可归因于外延层和异质结的质量。这项技术为氮化物半导体材料提供了新的思路,进一步带来了宽带隙电子器件的突破。为了进一步提升探测器的性能,对探测器分别进行550-850℃、30-120 s和在氮气、氨气气体环境下进行退火。根据探测器的性能测试结果,其在750℃氮气环境下退火60 s有最好的性能,当施加5 V反向偏置电压时,暗电流降低了一个数量级,响应度提高了29.8%。本论文的研究为AlGaN基p-i-n探测器的p-AlGaN层掺杂提供了新的思路。

关键词： AlGaN p-i-n结构超晶格极化掺杂金属有机化学气相沉积退火

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

An improved design for Al Ga N solar-blind avalanche photodiodes with enhanced avalanche ionization

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Chinese Physics B 2017年第3期26卷 588-591页

作者：汤寅蔡青杨莲红董可秀陈敦军陆海张荣郑有炓 Key Laboratory of Advanced Photonic and Electronic Materials School of Electronic Science and EngineeringNanjing University Department of Physics Changji College School of Mechanical and Electronic Engineering Chuzhou University

To enhance the avalanche ionization, we designed a new separate absorption and multiplication AlGaN solarblind avalanche photodiode （APD） by using a high/low-Al-content AlGaN heterostructure as the multiplication region instead of the conventional AlGaN homogeneous layer. The calculated results show that the designed APD with Al0.3Ga0.7N/Al0.45Ga0.55N heterostructure multiplication region exhibits a 60% higher gain than the conventional APD and a smaller avalanche breakdown voltage due to the use of the low-Al-content Al0.3Ga0.7N which has about a six times higher hole ionization coefficient than the high-Al-content Al0.45Ga0.55N. Meanwhile, the designed APD still remains a good solar-blind characteristic by introducing a quarter-wave A1GaN/A1N distributed Bragg reflectors structure at the bottom of the device.

关键词： AlGaN deep ultraviolet photoelectric detector distributed Bragg reflector

AlGaN基234nm和280nm深紫外发光二极管的可靠性研究

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AlGaN基234nm和280nm深紫外发光二极管的可靠性研究

作者：李敏广西大学

学位级别：硕士

近年来,AlGaN基紫外发光二极管(UV-LEDs)由于体积小、功耗低、发光波长可调、环境友好等优点而被认为是传统汞灯的理想替代品,因此被广泛应用于紫外固化、杀菌、消毒、光电离、非视距(NLOS)通信等方面。然而,相比于发展成熟的Ga N基可见... 详细信息

近年来,AlGaN基紫外发光二极管(UV-LEDs)由于体积小、功耗低、发光波长可调、环境友好等优点而被认为是传统汞灯的理想替代品,因此被广泛应用于紫外固化、杀菌、消毒、光电离、非视距(NLOS)通信等方面。然而,相比于发展成熟的Ga N基可见光LED,AlGaN基UV-LED仍存在发光效率低和可靠性差等问题,这对器件的商业化发展产生了阻碍。因此本文围绕AlGaN UV LED的可靠性方面展开了研究,对不同波长的LED在电流和温度应力下的光功率退化机制进行了详细分析,主要的研究内容和成果如下:(1)采用原位测试的方法,通过光学和电学表征相结合,对234 nm AlGaN远紫外(far-UVC)LED在20 m A恒定电流应力下的退化进行了深入研究,并通过深能级瞬态谱(DLTS)测试建立了器件退化与缺陷变化之间的联系。将DLTS与电容-电压(C-V)测试结合分析,研究表明光功率的显著退化主要与有源区中能级为Ev+(0.201-0.243 e V)的空穴缺陷“h”变化为能级为Ev+0.624 e V的缺陷“h”有关,该变化被描述为Mg从Mg中分离产生V与其他缺陷结合形成V相关复合物缺陷,这些复合物缺陷作为非辐射复合中心可以降低注入效率,并直接导致光功率的降低。n侧中V缺陷“e”浓度的上升表明材料晶体质量的进一步恶化。漏电流出现微弱上升,主要与空穴缺陷“h”浓度的增加有关。本文中的缺陷研究为制备更高可靠性的AlGaN far-UVC LED提供了一定的参考。(2)对280 nm LED在100-380 K温度范围下的光、电特性参数分别进行了测试,以探究器件在温度应力下光功率发生热下降的机制。研究显示在测试的温度范围中,光功率随温度的升高而呈现下降趋势,其下降程度在小电流注入下更为显著,表明整个温度范围中SRH非辐射复合的存在,有源区中存在的V缺陷便可作为非辐射复合中心。除此之外,高温部分(300-380 K)还存在着载流子逃逸,这两部分的增加共同导致了光功率的下降;低温部分(100-300 K),光功率的热下降主要归因于载流子离域和SRH非辐射复合的作用,虽然该部分随着温度上升,施主和受主掺杂剂的进一步激活会增加器件的注入效率,但光功率升高的作用依然弱于下降的。

关键词： AlGaN 深紫外发光二极管可靠性缺陷

基于AlN/AlGaN异质结的高耐压电力电子器件的研究

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基于AlN/AlGaN异质结的高耐压电力电子器件的研究

作者：付李煜西安电子科技大学

学位级别：硕士

无线通讯基站和电能转换等领域对相关电子系统的核心元器件提出了更大功率、更高频率和更高效率的要求。与传统的Si基功率器件相比,宽禁带半导体GaN基功率器件可实现1k W以上的输出功率、1MHz以上的高速开关频率、更大的工作温度范围,... 详细信息

无线通讯基站和电能转换等领域对相关电子系统的核心元器件提出了更大功率、更高频率和更高效率的要求。与传统的Si基功率器件相比,宽禁带半导体GaN基功率器件可实现1k W以上的输出功率、1MHz以上的高速开关频率、更大的工作温度范围,且具有更强的抗辐照能力。三元化合物半导体AlGaN作为GaN的延伸材料,具有更宽的禁带和更高的击穿场强,预期将实现更好的电力电子器件特性。基于上述背景本文针对AlGaN基电力电子器件展开研究。通过优化器件结构和制备工艺,获得了具备不同优异性能的AlGaN基器件。取得结果如下:1.用AlGaN/AlGaN异质结代替传统AlGaN/GaN异质结,显著提高了增强型高压氮化物高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的性能。在AlGaN/AlGaN异质结上淀积p型GaN实现增强型沟道,通过将GaN沟道替换为AlGaN沟道使阈值电压从1.1V提高到1.5V,关态击穿电压从270V提高到580V,提高了114%,开关比也达到10,验证了氮化物异质结中用AlGaN沟道替换GaN沟道的可行性和优势。2.提出了一种凹槽栅p沟道增强型p-GaN/AlGaN HEMT器件,来实现与n沟道增强型AlGaN/AlGaN HEMT的互补器件集成单元。栅下凹槽深度从40nm提高到60nm,器件的阈值电压从-0.9V移动到-3.3V,开关比达到10,栅极和漏极的关态漏电密度均低于10m A/mm。用钯金合金代替镍金合金作为欧姆接触金属,将接触电阻R从258Ω·mm降低到了231Ω·mm。这些特性有利于实现低功耗设计,为提高系统的工作频率、效率以及可靠性提供了一种解决思路。3.开展了成本较低的Si基AlGaN沟道异质结和电力电子器件研究。去除Si N/AlN/AlGaN外延片上的Si N使片上方块电阻从1762Ω/(?)提升到10kΩ/(?)。去除栅下Si N制备出n沟道增强型AlN/AlGaN HEMT,其阈值电压为0.4V,开关比大于10,并且亚阈值摆幅仅有63m V/dec。当栅漏间距L从16μm增加到26μm,衬底不接地的器件的关态击穿电压从570V提高至1000V,而当衬底接地时,器件的关态击穿电压仅从490V提高至665V,揭示出Si基AlGaN器件存在纵向的衬底击穿现象,为进一步设计并提高器件耐压特性提供理论支撑。4.提出AlO/Si O双层钝化结构,制备出高性能的n沟道耗尽型AlN/AlGaN HEMT。阈值电压为-0.6V,开关比大于10,并且亚阈值摆幅仅有64m V/dec。变频电容/电导数据显示,双层钝化的Si N/AlN/AlGaN异质结结构中,陷阱集中分布在导带以下0.309e V～0.327e V范围,相应的态密度为2.17×10～2.54×10cme V。在衬底不接地条件下,L从12μm提高到26μm时,器件的关态击穿电压从675V提升到1428V,在L达到32μm时提升至1488V。当器件扩展到栅宽20mm大尺寸时,饱和漏极电流达到6.4A,Baliga品质因数达到1.91×10V/(Ω·cm),成功制备出性能较为优越的AlGaN基电力电子器件,以应对实际应用上的耐压挑战。本文循序渐进,从AlGaN替代GaN作为沟道材料的优势研究到AlGaN基电力电子器件的可靠性研究,进而设计并制备出性能较为优越的AlGaN基电力电子器件,从而保障AlGaN基电力电子器件在航空航天及电力领域的应用。

关键词：宽禁带 AlGaN 电力电子器件增强型异质结

High-Gain N-Face AlGaN Solar-Blind Avalanche Photodiodes Using a Heterostructure as Separate Absorption and Multiplication Regions

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Chinese Physics Letters 2017年第1期34卷 137-140页

作者：汤寅蔡青杨莲红董可秀陈敦军陆海张荣郑有炓 Key Laboratory of Advanced Photonic and Electronic Materials School of electronic Science and EngineeringNanjing University Department of Physics Changji College School of Mechanical and Electronic Engineering Chuzhou University

It is well known that -nitride semiconductors can generate the magnitude of MV/cm polarization electric field which is comparable with their ionization electric fields. To take full advantage of the polarization electric field, we design an N-face AlGaN solar-blind avalanche photodiode (APD) with an Al0.45Ga0.55N/Al0.3Ga0.7N heterostructure as separate absorption and multiplication (SAM) regions. The simulation results show that the N-face APDs are more beneficial to improving the avalanche gain and reducing the avalanche breakdown voltage compared with the Ga-face APDs due to the effect of the polarization electric field. Furthermore, the Al0.45Ga0.55N/Al0.3Ga0.7N heterostructure SAM regions used in APDs instead of homogeneous Al0.45Ga0.55N SAM structure can increase significantly avalanche gain because of the increased hole ionization coefficient by using the relatively low Al-content AlGaN in the multiplication region. Meanwhile, a quarter-wave AlGaN/AlN distributed Bragg reflector structure at the bottom of the device is designed to remain a solar-blind characteristic of the heterostructure SAM-APDs.

关键词： AlGaN APD High-Gain N-Face AlGaN Solar-Blind Avalanche Photodiodes Using a Heterostructure as Separate Absorption and Multiplication Regions

利用探测器光电响应的带尾温变特性研究GaN/AlGaN界面极化电荷

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半导体技术 2022年第10期47卷 781-787页

作者：王雅娴杨帆杨富城刘福浩中国科学院上海技术物理研究所上海200083 上海科技大学信息科学与技术学院上海201210 中国科学院大学北京100049

日盲紫外探测器的抑制比由带尾响应决定,制作欧姆接触的高掺杂浓度p-GaN帽层是导致探测器带尾响应存在的不利因素。利用p-GaN/AlGaN界面极化电荷的调控,可以有效地抑制带尾响应。针对AlGaN吸收分离倍增(SAM)结构日盲雪崩光电二极管(APD... 详细信息

日盲紫外探测器的抑制比由带尾响应决定,制作欧姆接触的高掺杂浓度p-GaN帽层是导致探测器带尾响应存在的不利因素。利用p-GaN/AlGaN界面极化电荷的调控,可以有效地抑制带尾响应。针对AlGaN吸收分离倍增(SAM)结构日盲雪崩光电二极管(APD)探测器进行了变温响应光谱测试,分析了正照射和背照射时响应光谱的差别,重点对带尾响应在低温下得到有效抑制的情况进行了讨论,认为在只有温变的情况下,异质结极化效应的增强起主导作用。对响应光谱进行了理论仿真计算,根据室温下自发极化及压电极化计算分析,得到了与室温下测试性能较为自洽的结果。基于带尾响应的温变特性,拟合得到极化电荷密度随温度的变化关系,提供了一种在SAM结构中利用响应光谱研究GaN/AlGaN界面极化电荷的新方法。

关键词： AlGaN 日盲温变带尾响应极化效应