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AlGaN基255 nm LED的光衰特性分析与应用研究

AlGaN基255 nm LED的光衰特性分析与应用研究

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作者：邓少东广西大学

学位级别：硕士

在新冠疫情长期存在的大环境下,具有节能环保、安全高效、低电压且快速切换等特点的AlGaN基的深紫外发光二极管(DUV LED)有望开拓便携式消毒杀菌的新时代。但UV LED远低于蓝光LED内量子效率的问题和易于受环境影响的现象限制了UV LED应... 详细信息

在新冠疫情长期存在的大环境下,具有节能环保、安全高效、低电压且快速切换等特点的AlGaN基的深紫外发光二极管(DUV LED)有望开拓便携式消毒杀菌的新时代。但UV LED远低于蓝光LED内量子效率的问题和易于受环境影响的现象限制了UV LED应用发展。探究制约UV LED光功率和寿命的内在机制是可靠性分析的重点,其失效机制还不够完善,特别是对于具有最佳消毒速度的高Al组分255 nm LED的而言,相关的光功率衰退机制研究更是少之又少。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)研究了AlGaN基的255 nm LED在温度应力下的两个热降过程的机理,以便在较宽的温度范围内获得稳定的光输出。研究发现,在高温(>300 K)下的热降过程中,低正向偏置区的漏电流增加伴随着靠近p侧的量子阱的表观电荷浓度(ACD)的降低,表明热缺陷的激活增强了陷阱辅助隧穿效应,并导致低电流下光功率的下降更为显著。与常温相比,低温下的低发射功率归因于少子陷阱H,根据DLTS信号谱分析,其在190 K下的活化能为0.527 e V。在175 K以上的低温下,由于空穴注入增强,光功率随着温度的升高而增加。通过对热降特性的分析得出结论,热缺陷的激活可能是AlGaN基255 nm LED高温热降的原因,而与镓空位复合体相关缺陷有关的空穴陷阱H是低温热降重要来源。(2)采用多种光电表征方法,研究了AlGaN基255 nm LED在恒流应力下寿命快速下降的老化过程。通过实验与仿真得到的p侧第三个量子阱的施主浓度变化与光功率快速下降的行为相联系,推测出第三个量子阱中深能级相关缺陷的产生,增强了非辐射复合从而导致光功率快速下降。(3)利用AlGaN基255 nm LED的小巧、低开启电压、节能环保等的特点,研究设计了一种具有伸缩结构消毒机器人,能自动移动并根据与物体的距离来调节杀菌的功率和杀菌时间,还能探测周围的人体和动物距离来判断消毒的开关,避免紫外线对人体直接照射。

关键词：深紫外LED AlGaN 缺陷仿真可靠性 silense

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基于实验与模拟对AlGaN基深紫外LED器件的可靠性研究

基于实验与模拟对AlGaN基深紫外LED器件的可靠性研究

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作者：朱兴林广西大学

学位级别：硕士

基于AlGaN的紫外发光二极管(UV-LED)有许多优点,包括体积小,能耗低、快速切换,不需要任何预热时间等,这些优异的性质使得UVLED成为许多新领域的理想候选材料。例如,UV-LED的快速切换能力可以实现先进的测量检测算法和改进的基线校准,提... 详细信息

基于AlGaN的紫外发光二极管(UV-LED)有许多优点,包括体积小,能耗低、快速切换,不需要任何预热时间等,这些优异的性质使得UVLED成为许多新领域的理想候选材料。例如,UV-LED的快速切换能力可以实现先进的测量检测算法和改进的基线校准,提高系统灵敏度。由于UVLED的工作电压较低,非常适用普通电池和太阳能电池供电。另外Al组分的变化可以使它们的发射覆盖UVC(200-280 nm)、UVB(280-320 nm和UVA(320-400 nm)的波长光谱范围。不同波长的UV-LED使得它们在污水处理和食品的消毒,光疗和植物生长照明,UV固化和3D打印等方面都有广泛应用。与传统的汞气体放电UV光源相比,UV-LED器件的仍然存在许多技术上的困难和不太明显的退化机制,这些限制了UV-LED的寿命可靠性和迅速渗透市场的能力。目前由于UV-LED降解的物理机制尚未完全确定,近年来国内外研究者对UV-LED的可靠性分析进行了大量的研究。在本论文中,我们使用了加速老化实验与数值模拟的方法对AlGaN基的UV-LED光功率衰减的物理机制进行了研究。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)通过对一批来自同一晶圆且都采用标准封装的UVC-LEDs施加一系列的电流应力老化,实验测得光功率的衰减分为快速衰减和缓慢衰减两个阶段,并对光功率衰减曲线进行数值拟合,得到在不同电流下光功率的衰减都满足同一对数函数。(2)通过电致发光(EL)、光功率-电流(L-I)、电流-电压(I-V)、电容-电压(C-V)、光致发光(PL)等光电表征手段对老化前后的变化进行表征,得到老化不会改变有源区的Al组分,只是在有源区或有源区附近产生新的杂质或穿透位错,导致有源区形成更多的非辐射复合中心和缺陷辅助的隧穿电流通道,增加了器件的漏电流。从C-V测量和表观电荷分布(ACD)文件可以分析得到在正向偏压下电容变小导致p侧耗尽区变宽,电流应力后会造成有源区的载流子重新分布,造成LED器件老化,光功率下降。(3)通过silense仿真软件,用一维泊松模拟器对器件结构进行建模。计算了能带结构和载流子浓度分布。实验与模拟对比的结果表明,265 nm UV-LED的电子阻挡层在外加电流作用下发生扩展,n侧的多量子阱中载流子会重新分布,在p侧的受主杂质减少,导致耗尽区扩大。因此,量子阱中施主杂质浓度的传播和电子阻挡层中受主杂质浓度的降低改变了p-n结界面,这在整个LED老化过程中起着重要作用。

关键词：深紫外LED AlGaN 可靠性一维结构模拟 silense

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三维生长工艺对GaN外延层质量和阱厚对InGaN/GaN多量子阱光学性能的影响

三维生长工艺对GaN外延层质量和阱厚对InGaN/GaN多量子阱光学性能...

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作者：李小杜太原理工大学

学位级别：硕士

Ga N基材料因其具有禁带宽度大、化学和热稳定性好、电子饱和漂移速度大和击穿电场强度大等特点广泛运用于功率器件、LD器件和LED器件。然而,Ga N基材料的外延生长工艺和器件结构依然需要进一步优化。本文利用金属有机气相沉积（MOCVD... 详细信息

Ga N基材料因其具有禁带宽度大、化学和热稳定性好、电子饱和漂移速度大和击穿电场强度大等特点广泛运用于功率器件、LD器件和LED器件。然而,Ga N基材料的外延生长工艺和器件结构依然需要进一步优化。本文利用金属有机气相沉积（MOCVD）方法,在蓝宝石（Al2O3）衬底上生长了Ga N基材料,研究了三维生长工艺对Ga N外延层晶体质量和性能的影响,并对其生长机理进行了探讨;同时,理论模拟与实验相结合研究了阱厚对In Ga N/Ga N多量子阱光学性能的影响及相关物理机制,具体的研究结果如下所述。利用MOCVD方法,分别通过改变生长过程中三维生长阶段的生长温度（1060℃-1080℃）和V/III比（1335-763）,在蓝宝石衬底上生长了不同的Ga N外延层。利用高分辨X射线衍射仪（HRXRD）、原子力显微镜（AFM）、光致发光光谱仪（PL）、霍尔测试仪（HALL）和拉曼光谱仪（Raman）分别对样品的位错密度、表面形貌、发光性质、电学性质和残余应力进行了分析。当三维生长温度分别为1060℃、1070℃和1080℃时,外延层刃位错密度分别为5.09×108/cm3、3.58×108/cm3和5.56×108/cm3,呈现先减小后增大的现象,而螺位错密度变化不显著,分别为1.06×108/cm3、0.98×108/cm3和1.01×108/cm3,同时外延层残余应力分别为0.86 GPa、0.81 GPa和0.65 GPa,呈现逐渐减小的趋势。当三维生长V/III比从1335逐渐减小到763时,外延层刃位错密度由5.93×108/cm3减小至3.32×108/cm3,而螺位错密度变化不显著;同时外延层发光强度逐渐增强,载流子浓度从8.31×1017/cm3减小至5.60×1016/cm3,而载流子迁移率从212 cm2/vs增加至267 cm2/vs。变温和变V/III比样品位错密度和性能的变化是由于三维生长温度和V/III比不同时,三维生长阶段岛状结构的长大和合并速率发生改变而导致的。在研究范围内经过优化后的三维生长温度和V/III比分别为1070℃和763。利用Si LENSe模拟软件对不同阱宽（1.5 nm、2.0 nm、2.5 nm、3.2 nm、4.0 nm和5.0 nm）In Ga N/Ga N多量子阱结构进行了PL模拟。在相同激发功率密度下,随着多量子阱阱厚从1.5 nm逐渐增加至5.0nm,阱层量子限制斯塔克效应增强,导致峰值波长发生红移。同一多量子阱结构,随着激发功率密度从1.4 W/cm2增加至100 W/cm2,光生载流子产生的与极化电场相反的屏蔽电场强度增加,阱层量子斯塔克效应减弱,导致峰值波长发生蓝移。此外,利用MOCVD方法在蓝宝石衬底上生长了具有不同阱厚的（2.5 nm和3.2 nm）In Ga N/Ga N多量子阱结构,并利用PL系统研究了阱厚对In Ga N/Ga N多量子阱光学性能的影响规律。在相同激发功率密度下,当阱厚从2.5 nm增加到3.2 nm时,In Ga N/Ga N多量子阱结构峰值波长发生红移;同一样品随着激发功率密度从1.4 W/cm2增加至47.0 W/cm2,峰值波长发生蓝移,这与模拟计算结果相一致。

关键词： MOCVD 高温GaN InGaN/GaN多量子阱 silense

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