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SEMI OpenIR  > 中科院半导体照明研发中心  > 学位论文

题名: AlGaN基深紫外发光二极管和激光器关键技术研究
作者: 田迎冬
答辩日期: 2016-5-27
摘要: 

AlGaN基紫外发光器件在水和空气净化、消毒杀菌、生物探测、医疗、非视距通讯等领域具有广泛的应用前景,引发了国际上广泛的研究兴趣。然而,实现高效率的AlGaN基紫外LED和Laser仍然面临着巨大阻碍:低的内量子效率和低电流注入效率。因此,本文主要针对这一问题,以实现AlGaN基紫外LED高效率发光和紫外Laser的激射为目的,进行材料性能和器件设计研究,主要研究内容如下:

1. AlGaN基紫外LED的外延生长结构方面,采用纳米级图形衬底外延有效降低AlN模板层位错密度;研究了Si掺杂对AlGaNMQWs内量子效率提升的影响,从理论上研究了紫外LED中寄生峰的起源,并通过结构优化在实验上有效的抑制了寄生峰的出现。通过器件工艺的优化,实现了高Al组分AlGaNTi/Al/Ti/Au电极的欧姆接触,采用Ni/Ag/Pt金属体系代替Ni/Au有效的降低了p-GaN与金属电极的接触电阻,优化后的n-Al0.55Ga0.45Np-GaN的欧姆接触电阻率分别为2.8×10-4 Ωcm25.4×10-4 Ωcm2。在完成器件工艺优化后,器件的电学特性得到改善,20 mA下的工作电压由13 V降低到5 V;通过四颗管芯串联的方式实现了注入电流为20 mA280 nmDUV LED光输出功率为6 mW。针对AlGaN基紫外LED发光效率的Droop现象,发现温度对于紫外LED发光效率的Droop现象有着重要影响,散热方面的改善能够大幅提升高密度工作电流下的光输出性能。

2. 在高质量AlGaN外延材料的基础上,通过优化掺杂方案提高量子阱的材料质量,使量子阱的界面更加清晰陡峭,提高量子阱的内量子效率;同时结合光波导结构的设计模拟,提升光限制因子和有源区的增益;进而在国内首次成功实现波长为288 nm的深紫外光泵浦激射。针对于激射寿命很短这一问题,我们进一步优化了波导结构各层的组分和厚度,并采用AlN材料作为盖帽层,实现高光限制因子的波导结构,进而实现了波长短至259 nm的系列波长的稳定深紫外光泵浦激射。在此基础上,针对蓝宝石衬底上异质外延的AlGaN材料深紫外激光器难以通过解理的方式获得垂直光滑具有较高反射率的激光器腔面这一难题,我们利用干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的工艺,通过精确控制湿法腐蚀工艺获得了垂直度高的激光器腔面、并修复了干法刻蚀中离子轰击造成的腔面损伤,大大提高了腔面的反射率,从而降低了激光器的腔面损耗。与通过常规解理方式得到的激光器相比,通过两步刻蚀的腔面制备方法得到的波长为272.3 nm的深紫外激光器的阈值光功率密度由520 kW/cm2降低至350 kW/cm2,发光光谱的FWHM1.3 nm降低至0.4 nm。这是目前国际上首次通过干法刻蚀和湿法腐蚀两步法制备深紫外激光器腔面,进而实现深紫外半导体激光二极管的研究突破。

3. 提出了一种基于垂直的Al(Ga)N纳米柱阵列二次外延得到三维的(10-11)半极性面六方形纳米锥结构的实验方案,垂直的Al(Ga)N纳米柱阵列通过电感等离子体耦合(ICP)刻蚀和湿法腐蚀相结合的方法得到。半极性面六方形纳米锥的形成主要是由于H2的钝化作用导致(10-11)晶面的生长速率较慢。实验中发现二次外延的AlGaN材料中并没有额外的应力积累,从而避免了因应力积累而产生的位错产生,但是其内部也存在较多的层错,导致其发光性能下降。这种三维的基于AlGaN材料的半极性面上量子阱的内量子效率只有20%,但是从理论和实验都能看出其内部的极化电场强度相比于c面的量子阱得到了有效的降低。六方纳米锥结构使我们能够改变器件的表面结构,避免平面结构的全反射,有效增强空气和AlGaN材料的表面散射,从而在增加光提取效率方面有潜在的应用,这种三维的基于AlGaN材料的半极性面六方纳米锥结构在提高紫外LED光功率方面有很大的发展空间。

学位: 博士
专题: 中科院半导体照明研发中心_学位论文

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推荐引用方式:
田迎冬.AlGaN基深紫外发光二极管和激光器关键技术研究[博士].北京.中国科学院研究生院.2016
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