AlGaN基深紫外发光二极管器件温度对其光电特性调制的研究

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短波长的深紫外光源(200-300 nm)在水和空气净化、医疗杀菌、非视距通信、高密度光存储等领域都有广阔的应用前景。尤其在新冠肺炎(COVID-19)疫情上升至全球大流行时期,在传统消毒灭菌方法(如酒精类消毒剂、高温蒸煮等)不适用的场所和设备中,AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)杀菌则可以发挥更大的作用。然而,与成熟的蓝光LED技术相比,DUV LED在发光功率和效率等方面仍然存在有巨大差距。为此,人们进行了大量的研究以提升DUV LED的发光效率,但对温度特性影响器件性能的机制分析较少,作为关键参数的器件温度和理想因子也常常被忽略。本论文利用自主开发的新型LED测试系统和先进的半导体器件物理模型仿真软件APSYS,从实验和理论模拟两个方面对AlGaN基DUV LED器件温度对其光电特性调制进行了系统的分析研究。取得的主要结果如下:(1)在实验测试方面,成功利用自主开发的新型LED测试系统,实现了在一次测量中同步记录下280 nm AlGaN基DUV LED电学、光学以及热学特性的变化情况,并分别研究了DUV LED器件在“温度恒定,注入变化”和“注入恒定,温度变化”两个阶段中的器件各项物理性能随注入或温度的变化。实验结果表明,器件温度会严重影响DUV LED的光输出功率和电光转换效率,但器件的理想因子和串联电阻都随着温度升高而逐渐减小。理想因子的变化有助于我们对器件内部载流子输运进行判断。(2)在理论模拟方面,利用APSYS软件仿真模拟了相同器件结构在器件温度不同时,其光电特性、理想因子、能带结构、载流子浓度分布、辐射复合速率等物理特性的变化。模拟结果表明器件内存在的高势垒是导致器件理想因子过高的关键因素之一。此外,器件温度升高会使载流子获得额外能量。一方面,它有利于载流子越过一些势垒,降低理想因子;另一方面,它也会加剧载流子自量子阱的溢出,导致器件发光性能衰减。这启示我们在研发DUV LED时,需要权衡器件温度在载流子输运和溢出之间的作用。(3)为进一步研究器件温度对器件性能带来的影响,本课题还模拟了不同Mg掺杂浓度的AlGaN基DUV LED器件,结合实验结果讨论了DUV LED在Mg激活能受器件温度影响时,器件性能的变化。结果发现,载流子浓度也是导致器件理想因子过高的关键因素之一。即使器件结构相同,载流子浓度越大,器件的理想因子越低。本论文利用实验与器件模拟相结合的方法,揭示了器件温度调制AlGaN基DUV LED光电特性的物理机制,为解决器件温度对DUV LED光电特性的抑制问题提供了更坚实的实验和理论依据。这将推动高效、高亮度的AlGaN基DUV LED的研发与应用。
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