氮化鎵LED中極化效應的理論模擬.pdf

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

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。這是因為三族氮化物材料的纖鋅礦晶體結構，本身存在自發(fā)極化效應和由品格不匹配導致的壓電極化效應，極化效應產(chǎn)生的極化電場致使多量子阱(Multiple Quantum Wells，MQWs)結構的能帶發(fā)生形變，進而產(chǎn)生量子限制斯塔克效應（Quantum Confined Stark Effect, QCSE）。隨著驅動電流增加，器件內(nèi)部漏電流變得

3、嚴重，導致內(nèi)量子效率降低，嚴重阻礙了氮化鎵LED在大電流密度注入下的應用。
　　 本論文對氮化鎵LED器件進行物理建模，并設置相應的材料參數(shù)，經(jīng)過系統(tǒng)地數(shù)值模擬，全面地分析了氮化鎵LED結構和材料參數(shù)對器件的內(nèi)量子效率、自發(fā)輻射速率和輸出光功率等主要光電結果的影響，進而提出對傳統(tǒng)氮化鎵LED結構的改進與創(chuàng)新，最終通過優(yōu)化氮化鎵LED的外延層結構和外延層材料，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半導體材料的發(fā)展歷程，同時介紹了半導體材料在微電子和光電子等領域的應用，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。包括量子力學的kp微擾理論、應用kp理論推導出的閃鋅礦與纖鋅礦晶體結構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構的極化效應機制、極化效應對器件的影響和具體的計算過程。

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器件的基本結構，并且分析了幾個重要物理參數(shù)的意義與設定。然后模擬了傳統(tǒng)的原始結構氮化鎵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結構存在的問題以及產(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結構，并分析總結了極化電荷對氮化鎵LED的具體影響。
　　 第四章，主要分為兩部分。第一

6、部分介紹了其他實驗組對解決傳統(tǒng)氮化鎵LED量子效率衰減問題所提出來的新型結構和計算結果；第二部分詳細介紹了本人對改進氮化鎵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，并成功地消除二者界面之間的高濃度二維電子氣；2設計勢壘高度漸變InGaN量子壘結構，提高空穴的注入與自發(fā)輻射速率在器件內(nèi)部的