p型超晶格结构对紫外LED性能影响研究

摘要

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365 nm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5.6×1019 cm-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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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 GaN材料的晶体结构和性质

1.3 紫外LED应用

1.4 紫外LED发展和前景

1.5 本文研究内容

第二章 GaN基材料的外延生长

2.1 引言

2.2 MOCVD外延生长技术

2.3 GaN基材料外延衬底的选择

2.4 GaN基材料的缺陷

2.5 GaN基材料的p型掺杂

2.6 本章小结

第三章 超晶格增强p型掺杂研究

3.1 引言

3.2 超晶格简介

3.3 AlGaN/GaN的极化效应

3.4 .超晶格的掺杂机理分析

3.5 超晶格结构仿真研究

3.6 本章小结

第四章 p型超晶格结构紫外LED性能研究

4.1 引言

4.2 实验参数

4.3 外延芯片结晶质量分析

4.4 超晶格结构LED器件C-V特性分析

4.5 超晶格结构LED器件I-V特性分析

4.6 LED器件光学特性分析

4.7本章小节

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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1.基本情况

2.教育背景