【摘 要】
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铝镓氮（AlGaN）作为III族氮化物体系的三元合金材料,是直接带隙宽禁带半导体,禁带宽度随铝（Al）组分的变化在3.4-6.2 e V之间连续可调,是制作波长在210-365 nm之间高效紫外发光二极管（LED）的理想材料。基于AlGaN材料的紫外LED具有无汞污染、波长可调、体积小、响应速度快、耐高温抗辐射、工作电压低、寿命长等优势,在照明、杀菌、医疗、印刷、储存和通信等领域具有重大的应用前景
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
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铝镓氮（AlGaN）作为III族氮化物体系的三元合金材料,是直接带隙宽禁带半导体,禁带宽度随铝（Al）组分的变化在3.4-6.2 e V之间连续可调,是制作波长在210-365 nm之间高效紫外发光二极管（LED）的理想材料。基于AlGaN材料的紫外LED具有无汞污染、波长可调、体积小、响应速度快、耐高温抗辐射、工作电压低、寿命长等优势,在照明、杀菌、医疗、印刷、储存和通信等领域具有重大的应用前景。虽然针对AlGaN紫外LED的研究已经取得了一定的进展,然而随着Al组分的增加,LED的外量子效率（EQE）急剧下降。因此,高Al组分AlGaN深紫外LED的性能依然难以实现突破。本论文从提高内量子效率（IQE）和光提取效率（LEE）的角度出发,开展了提高AlGaN深紫外LED EQE的研究。为了增加空穴的注入效率,提高多量子阱（MQW）中的空穴浓度,本论文提出一种内置极化隧道结的AlGaN深紫外LED结构,内置极化隧道结为p+-Al0.55Ga0.45N/AlxGa1-xN/n+-Al0.55Ga0.45N结构,AlxGa N中Al组分分别为x=0.4、0.55、0.7;为了提高AlGaN深紫外LED中电子和空穴在MQW的注入效率和辐射复合效率,降低LED的正向电压,本论文提出了一种Al组分渐变的极化电子阻挡层（p-EBL）和极化空穴阻挡层（n-HBL）结构;为了提高AlGaN深紫外LED的LEE,本论文提出了一种利用Ga N高温分解制备Al N/空气多孔分布布拉格反射镜（DBR）结构的方法。本论文研究所取得的主要创新性成果总结如下:（1）采用APSYS软件对AlGaN深紫外LED的传统p型结构A、传统隧道结B（同质结,x=0.55）、极化隧道结C（异质结,x=0.4）和极化隧道结D（异质结,x=0.7）进行模拟和比较。相比结构A、B和C,采用极化隧道结D的AlGaN深紫外LED具有最高的电子隧穿几率,最高的电子和空穴的浓度和辐射复合速率,和最好的横向电流扩展。这说明采用高Al组分极化隧道结D,可以通过电子隧穿增加空穴的注入效率,提高MQW中的电子和空穴浓度,提高AlGaN深紫外LED的光输出功率和IQE。（2）采用APSYS软件对AlGaN深紫外LED的传统p-EBL结构、极化p-EBL和n-HBL结构、以及不同厚度MQW结构进行了模拟和比较,并采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）、X射线衍射（XRD）和电致发光（EL）等技术对AlGaN深紫外LED进行外延生长和表征。（1）对于传统p-EBL结构,可以通过增加p-EBL中的Al组分,提高MQW中的电子和空穴浓度,提高AlGaN深紫外LED的光输出功率和IQE。然而,随着p-EBL中Al组分的增加,p-EBL的势垒高度增加,因此导致了LED正向电压的增加和光电转换效率（WPE）的降低。（2）相比传统p-EBL结构,采用极化p-EBL和n-HBL结构,不仅能够增加MQW中的电子和空穴浓度,提高电子和空穴的注入效率,也能阻挡电子向p区的扩散和空穴向n区的扩散,提高电子和空穴的在有源区的辐射复合效率;同时也能降低LED的正向电压,提高LED的WPE。（3）在相同量子垒（QB）厚度的情况下,随着量子阱（QW）厚度的增加,QW中电子和空穴的有效状态密增加,因此会增加QW中的电子和空穴浓度;在相同QW厚度的情况下,随着QB厚度的降低,电场对电子和空穴的做功降低,MQW中电子和空穴的传输速率降低,会增加MQW中电子和空穴的浓度均匀性。（3）采用Ga N高温分解制备Al N/空气多孔DBR结构的研究表明,即使Al N/Ga N DBR结构具有不完整的周期,Al N和Ga N的厚度不均匀,相比未经高温退火的Al N/Ga N DBR结构,经过1450℃高温退火的Al N/空气多孔DBR结构的反射率从10%增加到50%,在光谱带宽内提高了5倍,反射率带宽为114.0 nm。这说明采用Ga N高温分解制备Al N/空气多孔DBR结构的方法十分有效,可以有效地提高DBR结构在中心波长位置的反射率和带宽。
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