深紫外发光器件中载流子注入行为的调控研究

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近年来,基于高Al组分AlGaN及其低维量子结构的深紫外(DUV)短波长发光二极管(LED)引起了极大地关注,在日常照明、杀菌消毒、智能家居和光治疗等领域具有广泛应用价值。目前,国际上DUV-LED虽然取得了较大的研究进展,但总体的器件性能仍然不高,其原因,除了高A1组分AlGaN的晶体质量控制和掺杂技术的限制外,合理的器件结构也至关重要,特别是依赖于器件结构的载流子的纵向输运特性的调控是提高深紫外LED器件的关键因素。本文将针对高性能DUV-LED所必须解决的高效载流子注入,特别是空穴的注入行为和调控开展研究,主要分为以下几个方面:(1)针对AlGaN基多量子阱中有效的平衡载流子注入问题,研究了有源区势垒层中A1组分调制形成的非规则H形量子势垒对AlGaN基深紫外发光二极管(LED)器件性能的影响及载流子的输运行为。研究发现,与多量子阱中常用的单Al组分势垒相比,加入A1组分较高的双尖峰势垒可以有效的提高内量子效率和光输出功率。进一步研究了电子与空穴在有源区因为能带结构的变化而产生的浓度变化。继而验证了采用非对称H形量子势垒的深紫外LED器件中载流子输运实现了较好的平衡,量子阱中的载流子复合速率远高于普通的深紫外发光二极管。(2)针对AlGaN基多量子阱中P-AlGaN层,将阶梯状A1组分与阶跃式P-AlGaN层结构相结合展开研究,对AlGaN基深紫外LED的载流子注入行为进行了深入研究,并通过Apsys进行仿真计算,结果表明,这种阶跃式Al组分突变P-AlGaN层设计相对于普通阶梯型P-AlGaN层更能够有效地保持较高的电子约束能力和较高的空穴注入效率,从而显著提高量子阱中的辐射复合率,大大提高器件的性能。(3)研究了AlGaN基深紫外LED器件的不同A1组分梯度电子阻挡层对器件性能的影响,通过Apsys仿真软件计算模拟了深紫外LED的器件结构。采用不同梯度的Al组分线性变化电子阻挡层(EBL)结构设计,并将其与A1组分绝对线性变化的电子阻挡层和普通电子阻挡层结构相比较,新设计的结构目标是增加电子的有效势垒高度,从而增强多量子阱区域的电子约束力。
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