中高温GaN插入层厚度对蓝光LED光电性能的影响

利用金属有机气相化学沉积(MOCVD)技术在蓝宝石图形衬底上生长GaN基蓝光LED,并系统研究了不同中高温GaN插入层厚度对其光电性能的影响。利用芯片测试仪和原子力显微镜(AFM)表征了GaN基蓝光LED外延片的光电性能以及表面形貌。当中高温GaN插入层厚度从60 nm增加至100 nm时,V形坑尺寸从70~110 nm增加至110~150 nm。当注入电流为20 mA时,LED芯片的光功率从21.9 mW增加至24.1mW;当注入电流为120 mA时,LED芯片的光功率从72.4 mW增加至82.4 mW。对V形坑尺寸调控LED光电性能的相关物理机制进行了分析,结果表明:增大V形坑尺寸有利于增加空穴注入面积和注入效率,进而提高LED器件的光功率。     

基于谐振腔效应的近紫外垂直结构LED光萃取效率优化

利用有限时域差分法研究近紫外垂直结构LED的光萃取效率的影响因素。结果显示,LED的光萃取效率随p-GaN层厚度的变化呈周期性振荡变化,在极大值点处的光萃取效率是极小值点处的4.8倍。进一步地,对上述振荡极大值点和极小值点的n-GaN层厚度和表面光子晶体结构进行优化,优化的光萃取效率分别达到35.3%和24.7%,比优化前各提高了37.9%和280%。因此,合理的外延层和光子晶体结构可有效提高近紫外垂直结构LED的光萃取效率,这对实验制备高效近紫外垂直结构LED芯片具有一定的指导作用。     

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.     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

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     

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。     

利用截头圆锥形仿生蛾眼结构提高LED光提取效率

为提高发光二极管(LED)光提取效率,根据等效介质理论在LED钝化层(SiNx)表面设计并制作了一种截头圆锥形微结构阵列。通过模拟重点分析了微结构的底面占空比、底面直径、高度和倾角对提高LED光提取效率的影响,得出微结构的底面占空比为0.55、底面半径为220nm、高度为245nm、侧面倾角为70°时器件的光提取效率最优,是无表面微结构器件的4.85倍。采用纳米球刻蚀技术在LED钝化层表面制备该亚波长纳米结构,并与无表面微结构的LED芯片进行电致发光对比测试。结果表明,制作有微结构的样品在20 mA和150 mA工作电流下的发光效率是无微结构参考样品的4.41倍和4.36倍,计算结果与实验结果比较一致,说明在LED钝化层制作该结构可有效提高光提取效率。     

基于外延层转移的超薄垂直结构深紫外LED

AlGaN基深紫外(Deep ultraviolet,DUV)发光二极管(Light-emitting diode,LED)可用于杀菌、水体净化、光疗、固化、传感和非视距通信等场合,在生物、环境、工业、医疗和军事等领域具有广阔的应用前景。针对现阶段DUV LED外量子效率较低的问题,本文提出了一种超薄垂直结构的DUV LED方案。该方案基于蓝宝石-硅晶圆键合和物理减薄工艺实现了高质量DUV LED外延层从蓝宝石衬底到高导热硅基板的转移,并采用转移后亚微米厚度的超薄外延层制备出垂直结构的AlGaN DUV LED。器件的出光面在减薄工艺后无需特殊的化学处理便可实现纳米级的粗化,配合超薄外延层结构具备显著的失谐微腔效应,有助于破坏高阶波导模式,从而增加TM波的出光并提升器件的出光效率。测试表明,转移后的外延层厚度约为710 nm,制备出的DUV LED发光光谱峰值波长约为271 nm。该垂直结构DUV LED制备方案为实现高效DUV光源提供了可行路径。     

以弱p型为有源区的新型p-n结构GaN紫外探测器

提出了以弱p型（p^－-GaN）为有源区的p-n结构GaN紫外探测器.由于弱p型层的载流子浓度较低,很容易增加耗尽区的宽度,从而可以增加器件的量子效率.通过模拟计算,研究了金属与p^－-GaN层的肖特基接触势垒高度、p^－-GaN层厚度等参数对器件性能的影响.研究结果表明,降低金属与p^－-GaN层的接触势垒高度、适当减小p^－-GaN层厚度能够实现有源层方向单一的内建电场,从而提高器件的量子效率.要制备出 关键词： 弱p型GaN 紫外探测器 量子效率     

基于表面等离子激元的双金属光栅结构提高LED光提取效率的研究

为了提高GaN基LED的光提取效率,构建了一种在金属银膜上下表面分别刻蚀光栅结构的双光栅LED模型。利用时域有限差分法（FDTD）进行数值模拟,比较了无银膜、无光栅、单光栅、双光栅模型下LED的光提取效率。结果表明：在光栅周期为300 nm,占空比为0.23,银膜厚度为30 nm,光源深度为150 nm时,光提取效率较单光栅结构提高了6倍,较无光栅结构提高了16倍。     

Effects of reflector-induced interferences on light extraction of InGaN/GaN vertical light emitting diodes

We provide a large F-P cavity model to analyze the effects of reflector-induced interferences on light extraction of InGaN/GaN vertical light emitting diodes (VLEDs). It shows that the distance (d) between the active region and the metal reflector has a significant influence on extraction efficiency due to interferences. The maximum in extraction efficiency corresponding to the optimal d is about three times the neighboring minimum. The reflector of different metals is considered in this model and the results show that the optimal d and the value of the maximum in the extraction efficiency are directly related to the type of metal, which can be attributed to varied reflection phase shift and reflectivity on different metals, respectively.     

Low-temperature activation of Mg-doped GaN with thin Co and Pt films

The activation of metallorganic chemical vapor deposition-grown Mg-doped GaN by N₂ annealing with thin Co and Pt films has been investigated. The Hall effect measurements revealed that both the Co and Pt films enhance activation of Mg acceptors as catalysts at low temperatures. A maximum hole concentration of p-type GaN was achieved at annealing temperature of 600 °C for the samples activated with both the Co and Pt films. It was also revealed that the activation of the acceptors is strongly affected by the thickness of the Co film.     

GaN/AlGaN双带红外探测及光子频率上转换研究

研究了GaN/AlGaN异质结构中的双带（中、远）红外探测及光子频率上转换特性.通过光致发光光谱确认GaN/AlGaN探测器结构中AlGaN本征层的Al组分,讨论了不同Al组分GaN/AlGaN异质结的导带带阶界面功函数差.在拟合单周期GaN/AlGaN探测器中红外和远红外波段响应谱的基础上,研究多周期GaN/AlGaN探测器与GaN/AlGaN发光二极管集成结构的中红外和远红外光子频率上转换效率与GaN发射层厚度、AlGaN本征层厚度、紫光光子出射效率、内量子效率、空间频率和发射层掺杂浓度间的关系,优化 关键词： 双带红外探测 光子频率上转换 响应谱 GaN/AlGaN     

Investigation on threshold voltage of p-channel GaN MOSFETs based on p-GaN/AlGaN/GaN heterostructure

The threshold voltage (V_th) of the p-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) is investigated via Silvaco-Atlas simulations. The main factors which influence the threshold voltage of p-channel GaN MOSFETs are barrier height Φ_1,p, polarization charge density σ_b, and equivalent unite capacitance C_oc. It is found that the thinner thickness of p-GaN layer and oxide layer will acquire the more negative threshold voltage V_th, and threshold voltage |V_th| increases with the reduction in p-GaN doping concentration and the work-function of gate metal. Meanwhile, the increase in gate dielectric relative permittivity may cause the increase in threshold voltage |V_th|. Additionally, the parameter influencing output current most is the p-GaN doping concentration, and the maximum current density is 9.5 mA/mm with p-type doping concentration of 9.5×10¹⁶ cm^-3 at V_GS = -12 V and V_DS = -10 V.     

高阻GaN的MOCVD外延生长

利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)在蓝宝石衬底上生长了高阻GaN薄膜。对GaN成核层生长的反应室压力、生长时间和载气类型对GaN缓冲层电学特性的影响进行了分析。实验结果表明,延长GaN成核层的生长时间,降低成核层生长时的反应室压力,载气由H₂换为N₂都会得到高阻的GaN缓冲层。样品的方块电阻R_s最高为2.49×10¹¹ Ω/□。以高阻GaN样品为衬底制备了AlGaN/AlN/GaN结构HEMT器件,迁移率最高达1 230 cm²/(V·s)。     

基于GaN同质衬底的高迁移率AlGaN/GaNHEMT材料

研究了表面预处理对GaN同质外延的影响,获得了高电子迁移率AlGaN/GaN异质结材料.通过NH_3/H_2混合气体与H_2交替通入反应室的方法对GaN模板和GaN半绝缘衬底进行高温预处理.研究结果表明,NH_3/H_2能够抑制GaN的分解,避免粗糙表面,但不利于去除表面的杂质,黄光带峰相对强度较高;H_2促进GaN分解,随时间延长GaN分解加剧,导致模板表面粗糙不平,AlGaN/GaN HEMT材料二维电子气迁移率降低.采用NH_3/H_2混合气体与H_2交替气氛模式处理模板或衬底表面,能够清洁表面,去除表面杂质,获得平滑的生长表面和外延材料表面,有利于提高AlGaN/GaN HEMT材料电学性能.在GaN衬底上外延AlGaN/GaN HEMT材料,2DEG迁移率达到2113 cm~2/V·s,电学性能良好.     

结构参数对GaN肖特基紫外探测器性能的影响及器件设计

研究了GaN肖特基结构(n^--GaN /n⁺-GaN)紫外探测器的结构参数对器件性能的影响机理。模拟计算结果表明:提高肖特基势垒高度和减小表面复合速率,不仅可以增加器件的量子效率,而且可以极大地减小器件的暗电流;适当地增加n^--GaN层厚度和载流子浓度可以提高器件的量子效率,但减小n^--GaN层的载流子浓度却有利于减小器件的暗电流。我们针对实际应用的需要,提出了一个优化器件结构参数的设计方案,特别是如果实际应用中对器件的量子效率和暗电流都有较高的要求,肖特基势垒高度应该≥0.8 eV,n^--GaN层的厚度≥200 nm,载流子浓度1×10¹⁷ cm^-3 左右,表面复合速率＜1×10⁷ cm/s。     

近紫外波段NEA GaN阴极响应特性的研究

为了深入理解近紫外波段NEA GaN阴极的光谱响应特性, 在超高真空系统中对MOCVD生长的不同发射层厚度和掺杂浓度的三个样品进行激活实验, 并在线测试样品光谱响应. 利用反射式GaN阴极量子效率公式和最小二乘法对入射光波长为0.25—0.35 μ之间的 阴极响应量子效率实验数据进行拟合, 分别得到后界面复合速率和拟合直线L的斜率, 并使用量子效率公式对入射光波长为0.35 μ时的反射式GaN阴极光谱响应量子效率进行仿真. 结果表明, 后界面复合速率和直线v的斜率都能很好地反映GaN阴极的响应性能, 当GaN阴极后界面复合速率小于10⁵ cm/s, 发射层的厚度取0.174—0.212 μ时, 阴极光谱响应性能最好. 关键词： 反射式GaN 势垒 最小二乘法 后界面缺陷     

基于石墨烯-ZnO纳米线的复合电极在GaN LED中的应用

使用一维ZnO纳米线和二维石墨烯复合结构集成到p-GaN表面来同时实现电流扩展和提高LED光提取效率。通过两组有无ZnO纳米线器件的对比,发现ZnO纳米线使器件的光提取效率提高了30%.通过分析两组器件的开启电压、工作电压和反向漏电流等关键参数,验证了本结构应用于GaN LED不会恶化其电性能。本文所采用的复合结构用于GaN LED,同时达到了良好欧姆接触、避免使用ITO和增强出光的效果。     

Effects of GaN cap layer thickness on an AlN/GaN heterostructure

In this study, we investigate the effects of GaN cap layer thickness on the two-dimensional electron gas (2DEG) electron density and 2DEG electron mobility of AlN/GaN heterostructures by using the temperature-dependent Hall measurement and theoretical fitting method. The results of our analysis clearly indicate that the GaN cap layer thickness of an AlN/GaN heterostructure has influences on the 2DEG electron density and the electron mobility. For the AlN/GaN heterostructures with a 3-nm AlN barrier layer, the optimized thickness of the GaN cap layer is around 4 nm and the strained a-axis lattice constant of the AlN barrier layer is less than that of GaN.