基于实验与模拟对AlGaN基深紫外LED器件的可靠性研究

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基于AlGaN的紫外发光二极管(UV-LED)有许多优点,包括体积小,能耗低、快速切换,不需要任何预热时间等,这些优异的性质使得UVLED成为许多新领域的理想候选材料。例如,UV-LED的快速切换能力可以实现先进的测量检测算法和改进的基线校准,提高系统灵敏度。由于UVLED的工作电压较低,非常适用普通电池和太阳能电池供电。另外Al组分的变化可以使它们的发射覆盖UVC(200-280 nm)、UVB(280-320 nm和UVA(320-400 nm)的波长光谱范围。不同波长的UV-LED使得它们在污水处理和食品的消毒,光疗和植物生长照明,UV固化和3D打印等方面都有广泛应用。与传统的汞气体放电UV光源相比,UV-LED器件的仍然存在许多技术上的困难和不太明显的退化机制,这些限制了UV-LED的寿命可靠性和迅速渗透市场的能力。目前由于UV-LED降解的物理机制尚未完全确定,近年来国内外研究者对UV-LED的可靠性分析进行了大量的研究。在本论文中,我们使用了加速老化实验与数值模拟的方法对AlGaN基的UV-LED光功率衰减的物理机制进行了研究。本论文的主要研究内容和成果如下:(1)通过对一批来自同一晶圆且都采用标准封装的UVC-LEDs施加一系列的电流应力老化,实验测得光功率的衰减分为快速衰减和缓慢衰减两个阶段,并对光功率衰减曲线进行数值拟合,得到在不同电流下光功率的衰减都满足同一对数函数。(2)通过电致发光(EL)、光功率-电流(L-I)、电流-电压(I-V)、电容-电压(C-V)、光致发光(PL)等光电表征手段对老化前后的变化进行表征,得到老化不会改变有源区的Al组分,只是在有源区或有源区附近产生新的杂质或穿透位错,导致有源区形成更多的非辐射复合中心和缺陷辅助的隧穿电流通道,增加了器件的漏电流。从C-V测量和表观电荷分布(ACD)文件可以分析得到在正向偏压下电容变小导致p侧耗尽区变宽,电流应力后会造成有源区的载流子重新分布,造成LED器件老化,光功率下降。(3)通过SiLENSe仿真软件,用一维泊松模拟器对器件结构进行建模。计算了能带结构和载流子浓度分布。实验与模拟对比的结果表明,265 nm UV-LED的电子阻挡层在外加电流作用下发生扩展,n侧的多量子阱中载流子会重新分布,在p侧的受主杂质减少,导致耗尽区扩大。因此,量子阱中施主杂质浓度的传播和电子阻挡层中受主杂质浓度的降低改变了p-n结界面,这在整个LED老化过程中起着重要作用。
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