氮化鎵LED中極化效應(yīng)的理論模擬.pdf

1、發(fā)光二極管LED(Light Emitting Diode)具有光電轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、容易集成、驅(qū)動(dòng)電壓低等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，而且具有替代白熾燈成為新一代照明光源的潛力。
　　 對(duì)于氮化鎵寬帶隙半導(dǎo)體材料，其發(fā)光光譜涵蓋了從深紫外到中紅外的整個(gè)波段，這一優(yōu)勢(shì)使氮化鎵材料比其他半導(dǎo)體材料具有更大的發(fā)展?jié)摿透鼜V闊的應(yīng)用空間。
　　 氮化鎵(GaN)藍(lán)光發(fā)光二極管誕生于1994年，之后氮化鎵半導(dǎo)體材料得

2、到了十分迅猛的發(fā)展。雖然氮化鎵LED目前已經(jīng)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但是器件仍然存在著效率低下的問題。這是因?yàn)槿宓锊牧系睦w鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，本身存在自發(fā)極化效應(yīng)和由品格不匹配導(dǎo)致的壓電極化效應(yīng)，極化效應(yīng)產(chǎn)生的極化電場(chǎng)致使多量子阱(Multiple Quantum Wells，MQWs)結(jié)構(gòu)的能帶發(fā)生形變，進(jìn)而產(chǎn)生量子限制斯塔克效應(yīng)（Quantum Confined Stark Effect, QCSE）。隨著驅(qū)動(dòng)電流增加，器件內(nèi)部漏電流變得

3、嚴(yán)重，導(dǎo)致內(nèi)量子效率降低，嚴(yán)重阻礙了氮化鎵LED在大電流密度注入下的應(yīng)用。
　　 本論文對(duì)氮化鎵LED器件進(jìn)行物理建模，并設(shè)置相應(yīng)的材料參數(shù)，經(jīng)過系統(tǒng)地?cái)?shù)值模擬，全面地分析了氮化鎵LED結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)對(duì)器件的內(nèi)量子效率、自發(fā)輻射速率和輸出光功率等主要光電結(jié)果的影響，進(jìn)而提出對(duì)傳統(tǒng)氮化鎵LED結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與創(chuàng)新，最終通過優(yōu)化氮化鎵LED的外延層結(jié)構(gòu)和外延層材料，在理論上解決了高電流密度注入下內(nèi)量子效率衰減的問題，同時(shí)在理論上提高了器

4、件的輸出光功率。
　　 第一章，主要簡介了二十世紀(jì)半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷程，同時(shí)介紹了半導(dǎo)體材料在微電子和光電子等領(lǐng)域的應(yīng)用，還討論了本論文理論模擬工作的研究背景與研究可行性。
　　 第二章，主要陳述了LED理論模擬涉及到的基本理論和物理模型。包括量子力學(xué)的kp微擾理論、應(yīng)用kp理論推導(dǎo)出的閃鋅礦與纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)的能帶模型和量子阱模型，最后闡述了三族氮化物纖鋅礦結(jié)構(gòu)的極化效應(yīng)機(jī)制、極化效應(yīng)對(duì)器件的影響和具體的計(jì)算過程。

5、>　　 第三章，主要介紹了模擬中涉及到的氮化鎵材料參數(shù)與氮化鎵LED器件的基本結(jié)構(gòu)，并且分析了幾個(gè)重要物理參數(shù)的意義與設(shè)定。然后模擬了傳統(tǒng)的原始結(jié)構(gòu)氮化鎵LED，從器件的能帶、載流子濃度空間分布、自發(fā)輻射速率空間分布、內(nèi)量子效率和輸出光功率等參數(shù)分析了傳統(tǒng)氮化鎵LED結(jié)構(gòu)存在的問題以及產(chǎn)生的原因。最后系統(tǒng)地模擬了不同極化程度下的氮化鎵LED結(jié)構(gòu)，并分析總結(jié)了極化電荷對(duì)氮化鎵LED的具體影響。
　　 第四章，主要分為兩部分。第一

6、部分介紹了其他實(shí)驗(yàn)組對(duì)解決傳統(tǒng)氮化鎵LED量子效率衰減問題所提出來的新型結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)果；第二部分詳細(xì)介紹了本人對(duì)改進(jìn)氮化鎵LED器件量子效率衰減問題所做的理論模擬工作，包括：1應(yīng)用鋁組分漸變電子阻擋層（Electron Blocking Layer，EBL）來減弱其與空間層(Space Layer)之間的極化效應(yīng)，并成功地消除二者界面之間的高濃度二維電子氣；2設(shè)計(jì)勢(shì)壘高度漸變InGaN量子壘結(jié)構(gòu)，提高空穴的注入與自發(fā)輻射速率在器件內(nèi)部的