AlGaN基深紫外LED的能带调控和极化诱导掺杂研究

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Ⅲ族氮化物作为新一代半导体材料,具有宽直接带隙、高电子漂移率、高热导率、耐高温、抗腐蚀、抗辐射等优点,适合制作高频、高功率、耐高温和抗辐射的电子器件,比如AlGaN基紫外发光二极管。但是紫外发光二极管依然存在低量子效率、低光输出功率等问题,提高晶体质量和载流子注入效率是解决问题的两个主要思路。影响载流子注入效率的一个重要因素是内部极化场引起的能带弯曲,本文基于APSYS软件,主要围绕紫外LED的能带调控和极化诱导掺杂展开研究。  首先,本文回顾了紫外LED的发展历程,介绍了AlGaN半导体材料的结构和性质,以及紫外LED的结构、发光机理和亟待解决的研究难题。接着,介绍了紫外LED器件的模拟方法,包含半导体器件模拟的基本方程和相关物理模型,以及APSYS软件的文件结构、操作程序和常见的收敛困难原因。  随后,我们围绕极化诱导掺杂方法展开研究,分别将恒定Al组分的p-AlGaN和n-AlGaN的Al组分改为0.6至0.4渐变,0.45至0.55渐变,模拟结果表明p型极化诱导掺杂能大幅提升紫外LED的输出性能,n型极化诱导掺杂带来的影响则相对较小一些。在能带结构上,可以发现极化诱导掺杂降低了价带弯曲的幅度,有益于空穴更好地注入。  最后,我们把目光转向电子阻挡层(EBL)的优化上,以使用传统超晶格电子阻挡层的紫外LED为基准参考结构,重新构建了下降垒组分(DSB)、上升垒组分(ISB)、三角垒组分(TSB)的超晶格EBL结构,结果表明下降垒组分的输出性能最优;最终,我们找到了最优的垒层组分设置,沿生长方向分别为0.90、0.85、0.80、0.75、0.70、0.65。通过分析比较,我们认为新结构之所以能提高紫外LED器件的输出性能,主要的原因还是在于对能带结构进行了调控,对电子泄露有更强的抑制作用,且更利于空穴的注入。
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