p型超晶格结构对紫外LED性能影响研究

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紫外发光二极管(UV-LEDs)已经被广泛应用在固态白光照明、医疗杀菌、印刷光固化、生物辅助检测、大容量信息存储和非视距通讯等新型领域。短波长紫外LED通常采用高掺杂的AlGaN或GaN作为p型层材料。因为AlGaN和GaN的掺杂杂质难电离,使得掺杂浓度很高,又直接影响材料的结晶质量,这使得短波长紫外LED的制作困难重重。目前,AlGaN材料的生长和p型掺杂还存在许多问题,波长小于365 nm的短波长紫外LEDs在发光效率上仍然比InGaN基紫外LED低一个数量级。AlGaN/GaN短周期超晶格(SPSLs)的特殊能带结构和极化效应,使得Mg掺杂的AlGaN/GaN超晶格可以很大的提高空穴的注入效率。超晶格还能阻挡外延时引入的位错和裂纹向表面延伸,提高芯片外延层材料生长质量。同时,利用AlGaN/GaN超晶格横向和纵向电导率不相等的特点,可以改善LED的电流分布,提高LED的光学性能。本文在这个理论基础上,提出使用Mg掺杂p-AlGaN/GaN短周期超晶格作为紫外LED的p型层,制作发光波长小于365nm的短波长紫外LED,并对得到的实验外延芯片进行高分辨率XRD和AFM表面形貌测试,分析材料结晶质量和形貌特性。对芯片进行管芯加工后,对器件进行电容电压(C-V)测试,探究器件中表观载流子的分布特性以及掺杂浓度。然后,对器件进行电流电压(I-V)测试,获得器件的工作电压,根据器件的I-V特性曲线,对样品器件的电流输运机制进行深入分析。最后,对器件进行电致发光(EL)测试,研究LED样品器件光学性能。本文的主要内容如下:1.对AlGaN/GaN超晶格的增强p型掺杂机理进行深入研究。AlGaN/GaN短周期超晶格的特殊能带和极化效应,使超晶格的界面处能带发生弯曲,受主激活能大大的降低,使得超晶格界面产生高密度的面电荷,提高了超晶格材料的空穴浓度。采用Silvaco仿真软件对p-AlGaN/GaN短周期超晶格的能带和空穴浓度进行仿真,验证了超晶格可以提高材料空穴浓度的理论。2.将p-AlGaN/GaN短周期超晶格作为短波长紫外LED器件的p型层,进行MOCVD外延生长,对芯片进行材料结晶质量测试分析,结果表明,外延芯片质量良好。管芯加工后,对器件进行C-V测试,计算得到样品p层掺杂浓度约为5.6×1019cm-3。对器件进行I-V测试,得到的样品在350 mA注入电流下工作电压为3.55 V,并对样品器件的I-V特性曲线进行分析,研究了样品理想因子偏大的主要原因,认为大电流下器件中有很大的深能级杂质引起的隧穿复合电流。对器件进行光学性能测试,测试结果表明,p-AlGaN/GaN超晶格结构紫外LED器件的光学性能优良,器件的发光波长为353 nm,发光功率可以达到27.67 mW,外量子效率在50 mA最高,可达6.20%。
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