基于分离多量子垒电子阻挡层的AlGaN基深紫外发光二极管

通过分离多量子垒电子阻挡层(EBL)结构,实现了AlGaN基DUV-LED器件性能的提升。由仿真结果可得,与传统的块状EBL相比,采用分离多量子垒结构的EBL可以获得更高的空穴浓度和辐射复合速率。这得益于EBL中间的夹层形成了空穴加速区,使得空穴在加速区获得能量,从而提高了空穴注入效率。另外,多量子势垒结构还能够通过提高电子势垒有效抑制电子泄漏,从而大幅度提升器件性能。综上所述,多量子垒电子阻挡层的引入可以显著提升AlGaN基DUV-LED器件的性能。

基于锥形超晶格p-AlInGaN层的AlGaN基深紫外发光二极管性能优化

为了解决AlGaN基深紫外(DUV)发光二极管(LED)中的严重电子溢出和低空穴注入的问题,本文提出了一种新型锥形超晶格p-AlInGaN层,它大幅改善了基于AlGaN的DUV LED的光电特性.与传统结构相比,所提出结构的输出功率提高了337.8%;同时它的内部量子效率(IQE)也高达96%,并且没有效率下降现象.仿真计算结果表明,锥形超晶格p-AlInGaN层的引入明显增加了多量子阱(MQWs)内载流子的浓度并降低了量子阱(QWs)内的电场,导致了更高的辐射复合率,为改善DUV LED的性能提供了一个有吸引力的解决方案.

超晶格电子阻挡层周期数对AlGaN基深紫外发光二极管性能的影响

在AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LEDs)中设计了具有不同周期数的超晶格电子阻挡层(SL-EBL)结构,研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs发光效率、I-V特性、可靠性及有源区载流子复合机制的影响.研究结果表明,随着SL-EBL的周期数增加,DUV-LEDs的光输出功率(LOP)、外量子效率(EQE)和电光转换效率(WPE)均呈先上升后下降的趋势,同时泄漏电流减小,可靠性提升.当周期数为7时(厚度为28 nm),DUV-LEDs裸芯的EQE和WPE均达到最大值,在7.5 mA注入电流下分别为3.5%和3.2%.能带模拟结果证明了增加SL-EBL周期数可以有效提升电子势垒高度,而几乎不改变空穴势垒高度.然而,当SL-EBL超过一定厚度时,抑制了空穴向有源区的注入,导致EQE和WPE随SL-EBL周期数变化出现拐点.研究了SL-EBL周期数对DUV-LEDs载流子复合机制的影响,发现增加SL-EBL周期数可以有效地降低有源区内载流子非辐射复合.

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。

具有复合最后一层势垒的AlGaN基深紫外发光二极管的制备及特性研究

本文研究了AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LED),其由常规未掺杂的最后一层量子势垒(u-LQB)和p型掺Mg最后一层量子势垒(p-LQB)复合而成最后一层量子势垒(CLQB)。研究结果表明,通过插入p-LQB并形成具有精心优化的Mg掺杂水平的CLQB,可显著提高DUV-LED的光输出功率。基于此成果,使用优化的Mg掺入量成功制备了输出功率较高的DUV-LED,在40 mA的注入电流下,与未插入p-LQB的样品相比,DUV-LED的光输出功率增加了约30%。而且,电致发光和光致发光谱表征结果表明,DUV-LED光输出功率获得显著改善的主要原因在于电子泄漏的减少和CLQB的采用所引起的空穴注入效率的提高。

有源区掺杂的AlGaN基深紫外激光二极管性能优化

为了改善深紫外激光二极管的性能,本文提出了有源区量子势垒n掺杂、p掺杂和n-p掺杂三种结构.利用Crosslight软件,对原始结构和有源区掺杂的三种结构进行仿真研究,比较四种结构的P-I特性曲线、V-I特性曲线、载流子浓度、辐射复合速率和能带图.仿真结果表明,有源区量子势垒n-p掺杂结构的性能更优,其阈值电压和阈值电流分别为4.40V和23.8mA;辐射复合速率达到1.64×10^(28)cm^(-3)/s;同一注入电流下电光转换效率达到42.1%,比原始结构增加了3.9%;改善了深紫外激光二极管的工作性能.

AlGaN基深紫外LED的可靠性研究及寿命预测

围绕AlGaN基深紫外LED的外延生长、工艺制备等因素对深紫外LED可靠性的影响以及加速寿命预测等方面开展了系统的研究。探索了量子垒(Quantum Barrier,简称QB)中Al组分、电子阻挡层(Electron Barrier Layer,简称EBL)中Al组分、同尺寸芯片不同台面面积等因素对深紫外LED可靠性的影响,确定QB结构Al组分为74%,EBL结构Al组分为75%,台面面积为P68。对优化后的深紫外LED设计了热、电应力老化试验,结合阿伦纽斯模型、逆幂律模型、指数最小二乘拟合对深紫外LED的寿命进行预测。实验结果表明,随着电、热应力的增加,深紫外LED可靠性随之降低,阿伦纽斯模型预测寿命为5027 h,逆幂律模型预测寿命为5400 h,正常工作电流40 mA下,深紫外LED实际寿命为5582 h,逆幂律模型预测精度较阿伦纽斯模型提升了6.7%。本研究将为提高深紫外LED的可靠性和产品应用普及提供坚实的理论基础。

AlGaN基深紫外微型发光二极管的研究进展(特邀)

随着AlGaN基深紫外发光二极管(DUV LED)的发展,其不仅在杀菌消毒领域得到广泛应用,在日盲紫外光通信领域的应用也受到越来越多的关注。这主要是由于相比其他的紫外光源(如汞灯、激光),其具有功耗低、设计灵活且调制带宽高的优势。而DUV LED的带宽严重依赖于器件尺寸,器件尺寸越小,其带宽越高。但是,随着深紫外微型发光二极管(μLED)的尺寸减少,尽管其带宽得到提高,但是其光功率却急剧下降,这严重限制了深紫外μLED在光通信中的应用。文中主要总结了深紫外μLED作为日盲紫外光通信光源的研究现状和综合分析尺寸效应引起器件性能的变化及其机理;并分析出低的光提取效率和严重的自热效应是影响深紫外μLED光功率的两个主要因素。进而综述了各种提高深紫外μLED光提取效率和改善热学特性的方法。文中将为从事深紫外μLED研究的工作者提供一定的研究方向指导。

利用W形空穴阻挡层降低AlGaN基深紫外激光二极管的空穴泄露

本文设计了V形和W形的空穴阻挡层(HBL)结构,改善空穴在AlGaN基深紫外激光二极管(DUV-LD)n型区的泄露问题.使用Crosslight软件,将参考型矩形、V形和W形三种空穴阻挡层结构进行仿真研究,分别比较了三种不同结构的DUV-LD能带、n区空穴浓度、辐射复合率、电光转换效率、有源区载流子浓度等特性,结果表明,具有W形空穴阻挡层的DUV-LD拥有更高的空穴有效势垒高度、更高的辐射复合率、更低的空穴泄露以及更好的斜率效率,可以有效降低深紫外激光二极管在n型区的空穴泄露,提升其光学和电学性能.

AlGaN基深紫外发光二极管空穴注入效率的提高途径

目前,发光波长短于360nm的深紫外发光二极管(DUV LEDs)的外量子效率(EQE)普遍低于10%。一方面,基于高AlN组分AlGaN材料量子阱的出光中存在大量的横磁(TM)模式的偏振光,这极大程度上降低了DUV LEDs器件的光提取效率(LEE);另一方面,受限于现阶段AlGaN材料的外延生长水平,DUV LEDs器件的晶体质量普遍比较差,增加了有源区内非辐射复合率,造成DUV LEDs器件内量子效率(IQE)的衰减。除此之外,载流子注入效率也严重影响着DUV LEDs器件的IQE,尤其是空穴注入效率。为此,研究人员开展了大量的研究来提高空穴注入效率,从而改善DUV LEDs器件的EQE。着重总结探讨了近年来提高DUV LEDs器件空穴注入效率的诸多措施,深刻揭示了其中的物理机理,对改善DUV LEDs的器件性能具有重要的意义。

基于阱式阶梯电子阻挡层的深紫外激光二极管性能研究

为有效降低深紫外激光二极管(DUV-LD)在有源区的电子泄露,提出了一种阱式阶梯电子阻挡层(EBL)结构。利用Crosslight软件对矩形、阶梯形和阱式阶梯形三种不同的结构分别进行了仿真研究,详细对比分析了三种结构器件的能带图、辐射复合率、电子空穴浓度、P−I以及V−I特性等,结果表明阱式阶梯EBL对电子的泄露抑制效果最好,从而使得器件的光学和电学性能得到优化。

深紫外AlGaN基多量子阱结构中载流子辐射复合的局域特征

利用磁控溅射和金属有机化学气相沉积方法在c面蓝宝石衬底上生长了深紫外Al_(0.38)Ga_(0.62)N/Al_(0.55)Ga_(0.45)N多量子阱结构,并对其荧光(PL)谱进行了测量。其PL谱的激发密度依赖性测量结果表明,该量子阱的辐射过程包含了局域载流子的散射、极化场的屏蔽和局域态的填充效应;其PL谱的温度依赖性测量结果则表明,该量子阱的辐射过程包含了局域载流子的弛豫、局域载流子的热激发和自由载流子的常规热化效应。这个现象(即多种辐射复合过程的存在)在低温和弱激发测试条件下尤为显著,并且表现出该量子阱结构具有显著的局域深度非均一性和载流子的局域效果,是浅局域载流子的散射效应和深局域态的载流子填充效应共同作用所致。在较低的温度范围内,随着温度升高,该量子阱的辐射过程是由浅局域载流子的弛豫效应和深局域载流子的热激发效应共同作用的结果。这些行为被归因于阱宽起伏所诱发的局域深度的非均一性和载流子的局域效果。

具有M形空穴阻挡层结构的AlGaN基深紫外激光二极管性能优化

为有效降低深紫外激光二极管(DUV-LD)在n型区的空穴泄露,优化其工作性能,提出了一种新颖的M形空穴阻挡层(HBL)结构。使用Crosslight软件对矩形、N形和M形三种空穴阻挡层结构进行仿真研究和对比,发现M形空穴阻挡层结构能够更有效地降低n型区的空穴泄露,增加量子阱内的辐射复合率,同时降低激光二极管的阈值电压与阈值电流,提升激光二极管的电光转换效率与输出功率,表明M形空穴阻挡层结构能够有效降低DUV-LD在n型区的空穴泄露并优化其工作性能。

利用倒双阶渐变阶梯形电子阻挡层减少深紫外激光二极管的电子泄露

本文提出了用双阶渐变阶梯和倒双阶渐变阶梯形电子阻挡层(EBL)以减少AlGaN基深紫外激光二极管(DUV-LDs)在p型区的电子泄露,并用Crosslight软件模拟仿真了双阶渐变阶梯和倒双阶渐变阶梯形EBL结构的光电特性,结果发现:具有倒双阶渐变阶梯形EBL的激光器拥有比双阶渐变阶梯形EBL激光器更高的斜率效率(SE),更高的输出功率,更低的阈值电流和阈值电压,更高的有效势垒高度和更低的电子泄露.这意味着前者拥有更强的抑制电子泄露的能力.在与矩形EBL结构对比中发现,所提出的结构还提高了有源区载流子浓度和辐射复合速率,进一步提高了DUV-LDs的光电性能.

深紫外LED散热性能的改善研究

深紫外发光二极管(DUV-LED)可广泛应用在杀菌消毒、生化检测、医疗健康和紫外通信等诸多领域。目前商用DUV-LED的电光转换效率通常不足5%,从而使LED发热严重、结温升高,进而导致LED出现峰值波长红移、光衰加剧、寿命缩短等一系列问题。在电光转换效率难以提高的背景下,提升DUV-LED的散热性能以降低其工作结温是十分必要的。热阻是反映LED散热性能的直接参数,其通常受导热面积、材料厚度、材料热导率等因素影响。本文系统研究了DUV-LED的芯片尺寸、焊接层填隙、导热硅脂和基板材质等因素对LED热阻的影响,并对固晶区和焊接层的厚度进行了仿真研究。研究结果表明,增大LED芯片尺寸、对焊接层进行填隙、基板与热沉间涂覆导热硅脂或者将Al基板更换为Cu基板等可以减小LED的热阻。针对商用20 mil×20 mil的275 nm DUV-LED,本研究将其热阻从22.19℃/W降低至12.83℃/W,在25℃环境下,电功率为0.669 W时芯片升温从14.69℃降低至8.49℃。仿真结果表明,LED工作结温随着固晶区或焊接层厚度的减小而线性降低,其中固晶区厚度每增加1 mm,芯片升温将提高44.82℃,因此可以通过适当减薄固晶区厚度来实现热阻的降低。

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。

量子阱层和垒层具有不同Al组分的270/290/330nm AlGaN基深紫外LED光电性能

为了研究AlGaN量子阱层和垒层中Al组分不同对AlGaN基深紫外发光二极管(LED)光电性能的影响,本文利用MOCVD生长、光刻和干法刻蚀工艺制备了AlGaN量子阱层和垒层具有不同Al组分的270/290/330nm深紫外LED,通过实验和数值模拟计算方法发现,量子阱层和垒层中具有低Al组分紫外LED的AlGaN材料具有较低的位错密度、较高的光输出功率和外量子效率。通过电流-电压(I-V)曲线拟合出的较大的理想因子(>3.5)和能带结构图表明,AlGaN深紫外LED的电流产生是隧穿机制占据主导作用,这是因为高Al组分AlGaN量子阱中强极化场造成了有源层区域较大的能带弯曲和电势降。

具有复合最后一层势垒的A1GaN基深紫外发光二极管的制备及特性研究

文章对具有新研发的、由常规的未掺杂的最后一层量子势垒(u-LQB)和p型掺Mg最后一层量子势垒(p-LQB)构成的复合最后一层量子势垒(CLQB)的AlGaN基深紫外发光二极管(DUV-LED)进行了深入研究。研究结果表明,通过插入p-LQB并形成具有精心优化的Mg掺杂水平的CLQB,可显著提高DUV-LED的光输出功率。基于此成果,在使用优化的Mg掺入量下成功制备了输出功率较高的DUV-LED。在40 mA的注入电流下,与未插入p-LQB的样品相比,具有优化的p-CLQB的AlGaN基DUV-LED的光输出功率增加了约30%。此外,基于电致发光和光致发光谱表征结果,揭示了DUV-LED光输出功率获得显著改善的主要原因在于电子泄漏的减少和CLQB的采用所引起的空穴注入效率的提高。

基于铝镓氮深紫外光电技术的智能消毒装备研发与验证评价

目的:研制基于铝镓氮(AlGaN)深紫外光电技术的智能消毒装备,以实现消毒装备无汞、非接触、无残留、无污染和高效快速地完成物体表面消毒。方法:通过制作AlGaN高质量外延和全无机方式封装芯片,研发深紫外发光二极管(LED)和消毒模块。使用消毒模块、光学模组、电控模块结合人工智能(AI)技术研制智能消毒装备。结果:研制的智能高精度消毒机器人和手持消毒机等智能消毒装备以非接触、无残留和无污染的方式运行。输出可控C波段紫外线,输出中心波长275.1 nm、辐射强度18750μW/cm^(2)(标准工作距离)的紫外线。通过第三方机构对智能消毒装备进行测试,可实现在5 s内对新型冠状病毒等病原微生物灭活,灭活率为99.99%。研制的智能消毒装备为北京冬奥会、首都机场和医院等场所提供了可靠的智能消毒保障。结论:基于AlGaN深紫外光电技术的智能消毒装备无汞,以非接触、无残留、无污染和高效的方式,有效杀灭物体表面的病原微生物,能够完成各种环境的物体表面消毒。

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

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。