俄歇复合、电子泄漏和空穴注入对深紫外发光二极管效率衰退的影响（英文）

研究了俄歇复合、电子泄漏和空穴注入对深紫外发光二极管(DUV LED)效率衰退的影响。结果表明,当俄歇复合系数从10~(-32) cm~6·s~(-1)增大到10~(-30) cm~6·s~(-1)时,俄歇复合对效率衰退的影响很小。当俄歇复合系数增大到10~(-29) cm~6·s~(-1)时,俄歇复合对效率衰退有显著的影响。然而,对于AlGaN材料而言,俄歇复合系数很难达到10~(-29) cm~6·s~(-1)。此外,本研究还发现,即使设置的俄歇复合系数等于10~(-32) cm~6·s~(-1),DUV LED的效率衰退依旧随着电子泄漏的增加而增大。因此,这进一步证明了电子泄漏是导致DUV LED效率衰退的主要因素。此外,本工作还证明了空穴注入效率的提高可以有效地抑制DUV LED的效率衰退问题,这主要是由于更多的电子与空穴在量子阱中复合产生了光子,降低了电子从有源区中泄漏的几率。     

硅衬底InGaN/GaN基蓝光发光二极管droop效应的研究

InGaN/GaN基阱垒结构LED当注入的电流密度较大时, LED的量子效率随注入电流密度增大而下降, 即droop效应.本文在Si (111)衬底上生长了 InGaN/GaN 基蓝光多量子阱结构的LED,通过将实验测量的光电性能曲线与利用ABC模型模拟的结果进行对比, 探讨了droop效应的成因.结果显示:温度下降会阻碍电流扩展和降低空穴浓度, 电子在阱中分布会越来越不平衡,阱中局部区域中因填充了势能越来越高的电子而溢出阱外, 从而使droop效应随着温度的降低在更小的电流密度下出现且更为严重, 不同温度下实验值与俄歇复合模型模拟的结果在高注入时趋势相反.这此结果表明,引起 droop效应的主因不是俄歇非辐射复合而是电子溢出,电子溢出的本质原因是载流子在阱中分布不均衡.     

氮化镓基绿光LED中V坑对空穴电流分布的影响

采用实验与理论模拟相结合的方法,研究了氮化镓基绿光发光二极管（LED）中V坑对空穴电流分布的影响。首先,实验获得了V坑面积占比不同的3种样品;然后,建立数值模型,使得理论计算的外量子效率（EQE）及电压与实验测试的变化趋势相匹配,从而确立了所用数值模型的可信性。计算结果显示：V坑改变了空穴电流的分布,空穴电流密度在V坑处显著增加,在平台处明显减小。进一步的分析表明：V坑面积占比在0~10%范围内,V坑空穴电流占比与V坑面积占比之间呈近线性增长（斜率为2.06）,但V坑空穴注入在整个空穴注入的过程中仍未占主导。     

具有高输出功率的多量子阱发光二极管的结构设计

设计了具有高量子效率的发光二极管(LED)芯片。通过采用Mg掺杂的AlInN-InGaN-AlInN作为LED的电子阻挡层,减小由极化引起的静电场,增大电子和空穴波函数的交叠比,从而增大了辐射复合速率。提高辐射复合速率有利于缓解电子泄露问题,增加了LED的发光功率,减小LED在大电流下的效率下降问题。新设计的芯片在大电流注入下,发光功率是传统结构的两倍。     

纳米压印技术制备表面光子晶体LED的研究

利用表面光子晶体能大幅提高发光二极管(LED)的外量子效率, 但如何制备大面积的纳米光子晶体是该研究方向的主要难点之一. 本文基于纳米压印技术在氮化镓基发光二极管(GaN-LED)表面制作孔状二维光子晶体. 通过以金属和聚合物双层掩膜干法刻蚀法, 得到了很好的光子晶体图形转移效果. 最终在LED的p-GaN层表面获得了大面积光子晶体, 周期为450 nm, 纳米孔直径为240 nm. 器件测试结果显示, 有表面光子晶体的LED比没有光子晶体的LED, 光致发光强度峰值提高到了7.2倍.     

GaN基蓝光LED中光子晶体对提取效率及发光偏振态的影响

为了提高氮化镓基蓝光发光二极管的发光提取效率,在其电流扩展层上生长光子晶体.讨论了光子晶体结构周期、刻蚀深度和占空比参数与提取效率的关系,并采用时域有限差分法进行模拟计算.结果表明在晶格周期为300nm、占空比为60%和刻蚀深度为200nm的条件下,生长光子晶体结构后,氮化镓基蓝光发光二极管的提取效率提升了27.93%.研究了激励源在光子晶体晶格周期内位置变化对提取效率的影响,拟合得到更符合实际物理意义的氮化镓基蓝光发光二极管发光提取效率函数.利用等效折射率理论和法布里-珀罗薄膜干涉模型解释了氮化镓基蓝光发光二极管中TE模和TM模偏振之间提取效率的差异,数值仿真得到最大差异值为1.442倍,从而获得高偏振对比度光源.用该结构参数制备的发光二极管器件应用于液晶显示背光源,可提高液晶显示的能耗效率.     

载流子迁移率对单层有机发光二极管复合效率的影响

建立了在单层有机发光二极管中电场强度不太大(E≤104Vcm)的情况下,载流子注入、传输和复合的理论模型.通过求解非线性Painleve方程得出了电场强度随坐标变化的解析函数关系式以及电流密度随电压变化关系,给出了电流密度以及器件的复合效率在不同的载流子迁移率情况下随电压变化关系图像.结果表明,复合效率受载流子迁移率影响较大,在器件中多数载流子应具有较低的迁移率,而少数载流子应具有较高的迁移率,这样有利于载流子的注入和传输,从而可提高发光效率.并且得出当空穴迁移率大于电子迁移率时,复合区域偏向阴极,反之亦 关键词： 单层有机发光二极管 复合效率 迁移率     

p-AlGaN电子阻挡层Al组分对Si衬底绿光LED性能影响的研究

在Si(111)衬底上利用MOCVD方法生长了具有不同Al组分p-AlGaN电子阻挡层的绿光InGaN/GaN LED结构,并对其光电性能进行了研究.结果表明,不同Al组分样品的量子效率随电流密度的变化规律呈现多样性.在很低电流密度范围,LED量子效率随Al组分升高而下降;在较高电流密度范围,LED量子效率随Al组分升高而升高,即此时缓解了量子效率随电流密度增大而衰退的速率(即droop效应);但随着电流密度的进一步升高,反而加快了量子效率衰退的速率.这些现象解释为不同Al组分的p-AlGaN对空穴和电子 关键词： 氮化镓 p-AlGaN 绿光LED 量子效率     

GaN基发光二极管外延中p型AlGaN电子阻挡层的优化生长

本文利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法系统地研究了p-AlGaN层掺杂机理及优化设计生长. 明确了生长温度、压力及TMAl的流量对AlGaN层Al组分的影响关系,并给出了各自不同的机理与作用. 研究发现,Al组分介于10%—30%之间能够很好地将电子限定在量子阱区域并保持高的材料晶体质量. 发展了一种新的生长技术来克服p-AlGaN层掺入效率低下和空穴注入不足的问题. 优化条件下生长的p型AlGaN电子阻挡层很大地提升了InGaN/GaN基LED的输出光功率. 关键词： 氮化镓基 LED Al组分 电子阻挡层     

双层光子晶体氮化镓蓝光发光二极管结构优化的研究

为了提升氮化镓(GaN)蓝光发光二极管(LED)光提取效率, 设计了双层光子晶体LED模型. 提出等效折射率近似方法, 简化求解了结构中的介质波导模式分布. 从而对模型中顶层光子晶体刻蚀深度d, 嵌入式光子晶体厚度T及其距有源层距离D等结构参数进行了优化. 同时利用时域有限差分方法对优化结果进行了验证. 相比其他仿真方法, 模式分析极大地减少了对LED建模优化的计算复杂度, 同时从理论上阐明了不同结构参数变化引起LED光提取效率改变的原因. 研究发现, 当顶层光子晶体满足d ≈ λ / n_PhCs 时, 结构内大部分高阶导模尚未被截断但源区能量向低阶导模的转化被有效抑制, 光提取效率给出极大值. 嵌入式光子晶体的引入将激发覆盖层模式, 当满足100 nm≤ T ≤ 300 nm且100 nm≤ D ≤ 200 nm 时, 覆盖层模式可以从有源层获得较大能量并有效地与顶层光子晶体耦合, 极大地提升了光提取效率. 本文优化结果使得LED光提取效率提升了4倍, 对高性能GaN蓝光LED的设计制造具有重要意义.     

AlGaInP大功率发光二极管发光效率与结温的关系

目前,AlGaInP大功率发光二极管(LED)存在的主要问题是大电流工作时发热严重,主要是由于电流扩展不均匀、出光面电极对光子的阻挡和吸收以及器件材料与空气折射率之间的差距引起的全反射现象,这些因素造成大功率LED出光受到限制、发光效率低、亮度不高.提出了一种复合电流扩展层和复合分布式布拉格反射层(DBR)的新型结构LED,使得注入电流在有源区充分地扩散,同时提高了常规单DBR对光子的反射率.结果显示,这种新型结构LED比常规结构LED的性能得到了很大的提升,350 mA注入电流下两者的输出光功率分别为4 关键词： 复合电流扩展层 复合分布式布拉格反射层 出光效率 结温     

高效InGaN/AlInGaN发光二极管的结构设计及其理论研究（英文）

利用Advanced Physical Models of Semiconductor Devices(APSYS)理论对比研究了InGaN/AlInGaN和InGaN/GaN多量子阱作为有源层的InGaN基发光二极管的结构和电学特性。与InGaN/GaN基LED中GaN作为垒层材料相比,在AlInGaN材料体系中,通过调节AlInGaN中Al和In的组分可以优化器件的性能。当InGaN阱层材料中In组分为8%时,可以实现无应力的In0.08Ga0.92N/AlInGaN基LED。在这种无应力结构中可以进一步降低大功率LED的"效率下降"(Effciency droop)问题。理论模拟结果显示,四元系AlInGaN作为垒层可以进一步减少载流子泄露,增加空穴注入效率,减少极化场对器件性能的影响。在In0.08Ga0.92N/AlInGaN量子阱中的载流子浓度、有源层的辐射复合率、电流特性曲线和内量子效率等方面都优于InGaN/GaN基LED。无应变AlInGaN垒层代替传统的GaN垒层后,能够得到高效的发光二极管,并且大电流注入下的"效率滚降"问题得到改善。     

不规则H形量子势垒增强AlGaN基深紫外发光二极管性能

针对AlGaN基多量子阱中有效的平衡载流子注入问题,研究了有源区势垒层中Al组分调制形成的非规则H形量子势垒对AlGaN基深紫外发光二极管(LED)器件性能的影响及载流子的输运行为。研究发现,与多量子阱中常用的单Al组分势垒相比,加入Al组分较高的双尖峰势垒可以有效地提高内量子效率和光输出功率。进一步研究表明,电子在有源区因凸起的尖峰势垒而得到了有效的阻挡,减少了电子的泄露,而空穴获得更多的动能从而穿过较高的势垒进入有源区。因此,采用非对称H形量子势垒的深紫外LED器件中载流子输运实现了较好的平衡,量子阱中的载流子复合速率远高于普通的深紫外发光二极管。     

p-GaN插入层调控InGaN基黄绿双波长LED发光光谱

采用MOCVD技术在硅衬底上生长了含有7个黄光量子阱和1个绿光量子阱的混合有源区结构的InGaN基黄绿双波长LED外延材料,研究了电子阻挡层前p-GaN插入层厚度对黄绿双波长LED载流子分布及外量子效率(EQE)的影响。通过LED变温电致发光测试系统对LED光电性能进行了表征。结果表明,100 K小电流时随着电流密度的增大,三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值越来越大,且5.5 A·cm^-2的电流密度下,随着温度从300 K逐步降低至100 K,三组样品的绿光峰与黄光峰相对强度的比值也越来越大,说明其载流子都在更靠近p型层的位置发生辐射复合。三组样品的p-GaN插入层厚度为0,10,30 nm时,EQE峰值依次为29.9%、29.2%和28.2%,呈现依次减小的趋势,归因于p-GaN插入层厚度越大,p型层越远离有源区,空穴注入也越浅。电子阻挡层前p-GaN插入层可以有效减小器件EL光谱中绿光峰随着电流密度增加时峰值波长的蓝移(33 nm),实现了对低温发光光谱的调控。     

光子晶体发光二极管

利用光子晶体的光子禁带和光栅衍射效应可以提高LED的出光效率,扩大LED的应用范围。总结了光子晶体发光二极管的原理和典型器件。通过比较表明,与光子禁带效应相比,利用光栅衍射效应提高LED出光效率的方法更适用于电注入发光。因此可望用更廉价的方法在LED表面制造光子晶体,可通过光栅衍射效应来有效地提高其出光效率。     

高效InGaN/AlInGaN发光二极管的结构设计及其理论研究

利用Advanced Physical Models of Semiconductor Devices (APSYS)理论对比研究了InGaN/AlInGaN 和 InGaN/GaN多量子阱作为有源层的InGaN基发光二极管的结构和电学特性。与InGaN/GaN 基LED 中GaN作为垒层材料相比,在AlInGaN材料体系中,通过调节AlInGaN中Al和In的组分可以优化器件的性能。当InGaN阱层材料中In组分为8%时,可以实现无应力的In_0.08Ga_0.92N/AlInGaN基 LED。在这种无应力结构中可以进一步降低大功率LED的"效率下降"(Effciency droop)问题。理论模拟结果显示,四元系AlInGaN作为垒层可以进一步减少载流子泄露,增加空穴注入效率,减少极化场对器件性能的影响。在In_0.08Ga_0.92N /AlInGaN量子阱中的载流子浓度、有源层的辐射复合率、电流特性曲线和内量子效率等方面都优于InGaN/GaN基LED。无应变AlInGaN垒层代替传统的GaN垒层后,能够得到高效的发光二极管,并且大电流注入下的"效率滚降"问题得到改善。     

多光子非线性Compton散射的能量转换

研究了多光子非线性Compton散射中电子与光子的能量转换及其转换效率.结果表明:散射光子频率随电子吸收光子数n的增大而增大,随碰撞非弹性成分ξ的增大而迅速减小.在超强激光场中,当极端相对论性电子与光子发生多光子非线性Compton散射且被光场俘获时,能量转换效率趋于无限大,即电子可以从超强激光场中获得巨大的加速能量.用高速电子束入射并与光子发生多光子非线性Compton散射,是提高非线性Compton散射能量转换效率的重要途径.     

基于正方和六角排列结构光子晶体对发光二极管出光效率的研究

采用时域有限差分（finite-difference time-domain, FDTD）方法计算正方和六角排列圆形光子晶体的能带结构,研究了光子晶体占空比对能带的影响,找到一组获得带隙个数最多的二维光子晶体的几何结构参数;采用FDTD方法计算具有该参数的光子晶体的发光二极管（LED）出光效率,模拟表明该结构参数的正方和六角排列圆形光子晶体提高了GaN基蓝光LED出光效率5—6倍,六角排列优于正方排列;利用禁带理论、等效介质理论分析了增透机理. 关键词： 光子晶体 能带 出光效率 发光二极管     

大功率GaN基发光二极管的电流扩展效应及电极结构优化研究

定性分析了GaN基LED的电流扩展效应,发现电流密度和电流横向扩展的有效长度对电流均匀扩展有很大影响.基于此,对GaN基大功率LED提出了优化的电极结构,以减缓电流拥挤效应,降低器件串联电阻.通过用红外热像仪测量器件表面的温度分布,发现具有优化的环形插指电极结构的GaN基大功率LED表面温度分布比较均匀,证明芯片接触处电流扩展均匀,局部电流密度降低,减小了焦耳热的产生,增强了器件的可靠性. 关键词： 氮化镓 发光二极管 电流扩展 电极结构优化     

利用山形空穴存储层结构对深紫外激光二极管的性能优化

为了有效提高深紫外激光二极管的空穴注入效率和减少电子泄露,优化其性能,设计出了在基础矩形空穴存储层结构上改进后的山形空穴存储层和倒山形空穴存储层。使用Crosslight软件模拟仿真倒山形和山形空穴存储层结构的电子浓度、电子电流密度、能带图以及P-I特性曲线。结果显示山形空穴存储层激光器的光学和电学性能优于矩形和倒山形激光器,因此山形空穴存储层激光器能有效地增加有源区空穴注入和减少电子泄露,提高有源区载流子浓度和辐射复合速率,实现了激光器优越的光电性能。