AlGaN基深紫外LED的MOCVD外延生長(zhǎng).pdf

1、AlGaN基深紫外發(fā)光二極管（LED）是一種新型的固態(tài)紫外光源。相對(duì)于傳統(tǒng)的紫外汞燈，AlGaN基紫外LED具有體積小、重量輕、功耗低、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好、發(fā)光波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)。因此，在紫外相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注并開始滲透到汞燈的一些傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。但是，由于高Al組分AlGaN材料中缺陷密度高、量子阱區(qū)極化效應(yīng)較強(qiáng)、空穴注入效率低以及c面AlGaN材料出光困難等問題，AlGaN基紫外LED的外量子效率仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于已經(jīng)商業(yè)化

2、的InGaN基藍(lán)光LED。發(fā)光功率不足和量子效率偏低嚴(yán)重阻礙了紫外LED的應(yīng)用。針對(duì)紫外LED面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，本文采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延（MOCVD）從 AlN、AlGaN材料的外延制備出發(fā)，結(jié)合AlGaN/AlGaN多量子阱（MQWs）和電子阻擋層（EBL）結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過深紫外LED結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)工作最終實(shí)現(xiàn)了多個(gè)波段輸出光功率達(dá)到毫瓦量級(jí)的深紫外LED器件。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過采用脈沖原子層外

3、延（PALE）和傳統(tǒng)連續(xù)生長(zhǎng)的結(jié)合，獲得了高質(zhì)量的AlN模板。通過對(duì)PALE過程中V/III比的調(diào)節(jié)，提高AlN生長(zhǎng)速度的同時(shí)改善了AlN的晶體質(zhì)量。采用優(yōu)化后的PALE生長(zhǎng)工藝結(jié)合連續(xù)生長(zhǎng)方式，有效改善了AlN薄膜的晶體質(zhì)量和表面形貌。此外，我們還詳細(xì)地研究了在AlN外延過程中采用中溫AlN插入層技術(shù)改善樣品晶體質(zhì)量的機(jī)理。⑵在n型Al0.45Ga0.55N材料外延生長(zhǎng)過程中引入SiNx原位掩膜生長(zhǎng)技術(shù)以降低位錯(cuò)密度。通過優(yōu)化SiNx

4、生長(zhǎng)時(shí)間有效改善了薄膜的晶體質(zhì)量，并建立模型闡述了SiNx插入層上Al0.45Ga0.55N的生長(zhǎng)機(jī)理。⑶制備了厚度達(dá)到2.5μm表面無裂紋的Si摻雜Al0.46Ga0.54N。研究了不同周期數(shù)的AlN/AlGaN超晶格對(duì)Si摻雜Al0.49Ga0.51N的作用。在此基礎(chǔ)上，采用設(shè)計(jì)的兩套平均組分遞減的AlGaN/AlN超晶格結(jié)構(gòu)成功生長(zhǎng)出厚度達(dá)到2.5μm，表面無裂紋的n型Al0.46Ga0.54N材料，其中n型載流子濃度達(dá)到3.09

5、×1018 cm-3。⑷通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了AlGaN/AlGaN多量子阱（MQWs）中阱厚度和Si摻雜對(duì)AlGaN/AlGaN MQWs發(fā)光性能的影響。最終，我們采用阱厚度3 nm和阱、壘Si摻雜的設(shè)計(jì)，獲得了290 nm發(fā)光效率較高的MQWs。⑸采用APSYS軟件對(duì)UV-LED中的 EBL進(jìn)行了研究。結(jié)果證明所提出的 Al組分沿生長(zhǎng)方向漸變（0.9-0.4）設(shè)計(jì)的EBL能夠有效改善電子的阻擋和空穴的注入。與采用Al0.7Ga0.3N