论文部分内容阅读
短波长(200nm-290nm)紫外光源有着广阔应用需求,比如水和空气净化、杀菌处理、医学仪器、高密度光学数据存储及通信系统等领域。III-V族氮化物半导体材料(GaN、AlGaN和AlN)和金刚石由于大的禁带宽度,是该波长范围紫外光源的潜在材料。但是这些材料的导电性能控制还存在诸多问题,高铝组份AlGaN材料的p型掺杂一直是难点之一,提高p型掺杂浓度将极大提升LED的发光强度和外量子效率。其次,有源区的结构构造对电子空穴浓度分布有较大影响,通过优化有源区结构使区内电子空穴分布更均匀,将对LED的辐射复合率有重要提高,进一步增强器件发光强度。深紫外(DUV)LED另外一个问题是发光抽取角度很小,器件中的大部分发光由内部材料吸收,导致极低的光抽取效率。在DUV LED中,构造高反射率布拉格反射镜(DBR)将有效克服这一问题,而且高质量的DUV DBR很有可能是实现激子和声子强耦合的途径。本文围绕AlGaN基深紫外光源LED设计,从p型掺杂电子阻挡层(EBL)、有源区优化以及提高光抽取效率的DBR构造等方面作了深入探讨和研究,并基于DUV LED光源设计制作了一个非视距紫外通信应用验证平台,主要研究内容和研究成果如下:1、提出了一种有源区为6周期多量子阱(MQWs)的PIN结构深紫外LED,并优化了器件参数。利用silvaco软件仿真,比较各LED正向工作电压、电子阻挡效果等性能获得折衷的AlGaN电子阻挡层(EBL)厚度和A1组份,获得参数优化的器件发光波长为270nm,注入电流20mA时器件正向工作电压低至5.5V。2、创新提出了一种极化增强型DUV LED新结构。提出采用AlGaN渐变Al组份层作为DUV LED器件p型EBL层,利用极化作用在p型层感应形成三维空穴气(3DHG),提高了高A1组份p型AlGaN层中受主离化效率,并且使得p型层价带更平滑利于空穴向有源区的注入,获得了更高的有源区空穴浓度,相比传统EBL结构的DUVLED,其发光强度提高了 17%。在此基础上,提出了一种故意提高MQWs最后垒层A1组份的改进方案,首次利用极化作用使最后垒层的导带沿生长方向向上弯曲,增加了电子阻挡效果,并且将更多有源区电子禁闭在多量子阱最后的阱层,模拟显示该结构的DUV LED相比传统结构器件发光强度提高了 34.4%。3、首次提出了一种AlGaN/AlInN/AlInGaN三层周期结构的AlGaN基日盲紫外布拉格反射镜。不同于传统的高低折射率层周期交替结构,这种新结构中使用适当厚度的AlInN层有效减小了止带内的剩余吸收,并故意设计了一层AlInGaN作为张力过渡层,缓解由于AlGaN与AlInN之间晶格失配导致应力累积,实现了原子级多周期平坦界面。这种结构的DBR获得的中心波长(274nm)处峰值反射率高达86%以及半高宽止带宽度为16nm,在深紫外LED和探测器等光学器件研究中具备极高应用参考价值。4、基于深紫外LED光源,研究了深紫外LED的大电流高速调制驱动技术和微弱紫外光信号接收与低噪声放大技术。实现了高速调制紫外光源的安培级大电流驱动能力,这一技术可扩展用于LED阵列的驱动,提高紫外光源功率。实现了微瓦量级紫外光功率的高速连续检测能力,这一技术为远距离高速非视距通信奠定了基础。设计制作了一个利用日盲紫外光源与紫外探测器的非视距紫外通信应用验证平台,系统在115200bps波特率下实现稳定的非视距通信。