【摘 要】
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Ⅲ族氮化物半导体材料因其带隙为直接带隙、禁带宽度范围广以及物理化学性质稳定等优良特性成为制备半导体发光器件的主要材料。其中Ⅲ族氮化物合金AlGaN材料通过调节Al组分,其禁带宽度对应发光波长可覆盖紫外波段,因此多用AlGaN材料来制备深紫外半导体发光器件。但目前因外延生长技术不完善问题,高质量的高Al组分AlGaN晶体生长困难,限制了器件性能。此外AlGaN材料的n型和p型掺杂效率低,特别是p型掺
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Ⅲ族氮化物半导体材料因其带隙为直接带隙、禁带宽度范围广以及物理化学性质稳定等优良特性成为制备半导体发光器件的主要材料。其中Ⅲ族氮化物合金AlGaN材料通过调节Al组分,其禁带宽度对应发光波长可覆盖紫外波段,因此多用AlGaN材料来制备深紫外半导体发光器件。但目前因外延生长技术不完善问题,高质量的高Al组分AlGaN晶体生长困难,限制了器件性能。此外AlGaN材料的n型和p型掺杂效率低,特别是p型掺杂,使得有源区内载流子注入效率很低。除此之外,深紫外半导体发光器件还面临着有源区内载流子泄露率高、因AlGaN材料的极化效应导致的有源区内载流子波函数分离等问题,这些问题的存在极大程度的限制了器件的发光性能,使得其不能满足大规模应用需求,因此改善AlGaN基深紫外半导体发光器件的性能是当前急需解决的问题。本论文基于提高AlGaN基深紫外半导体发光器件性能的目的,对器件结构进行优化,通过仿真软件对其进行模拟计算,主要工作内容如下:1、为减少双异质结激光器有源区载流子泄露,在激光器中先引入一矩形空穴阻挡层,接着将矩形双阻挡层结构改为双梯形空穴阻挡层结构和多量子势垒电子阻挡层结构。通过仿真计算双阻挡层结构改进后的激光器的能带、有源区载流子浓度、受激辐射复合率以及电学特性值,与矩形双阻挡层结构激光器相比,其光学特性和电学特性都得到明显改善。2、为提高脊型结构激光器有源区内空穴注入效率,提出在激光器中插入一矩形空穴存储层用来诱导产生并存储空穴,之后对矩形空穴存储层结构改为Al组分呈阶梯向下的五阶梯结构,结构改进后的空穴存储层能诱导产生存储更多的空穴,传导至有源区的空穴随之增多,有源区中空穴注入效率提高。接着又研究了当结构改进后的空穴存储层位于激光器p区不同位置时对器件性能的影响,研究结果表明当结构改进后的空穴存储层位于激光器最后一层量子势垒和上波导层之间时,电子阻挡层电子势垒高度最高,空穴势垒高度最低,有源区内载流子泄露被显著抑制,空穴注入效率也得到改善。3、为提高发光二极管有源区内电子注入效率,提出一 Al组分呈阶梯上升的五阶梯式电子注入层结构,与矩形电子注入层结构相比,电子注入层中的电子注入电流密度明显提高,同时因阶梯式电子注入层形成的的极化场降低了电子的平均自由程,提高了量子阱对电子的捕获效率,所以有源区内电子浓度有效提高。通过对比其他表征器件性能参数值,结果显示电子注入层结构改进后的发光二极管有源区内自发辐射复合率以及光输出功率都得到明显提高,器件的发光性能得到改善。
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