高效AlGaN基深紫外LED关键科学问题研究

This project based on AlGaN deep UV LED devices to carry out the basic research problem including growth mechanism, growth kinetics of AlGaN material defect generation mechanism and p-type AlGaN material activation mechanism , thus achieving low defect AlGaN material and a high concentration of p-type dopant miscellaneous. Design of new quantum well structure, combined with quantum energy band structure and regulation of stress, enhance internal quantum efficiency of the DUV LED devices. Based on theoretical analysis, the quality of materials characterization instruments, optical characterization and reliability analysis, reveals deep UV LED material structure of the stress-strain, p-type doping, carrier transport, ohmic contacts, device degradation and reliability reinforcement core mechanisms and laws. Deeply analyze various factors affecting the efficiency of the light extraction and ohmic contact mechanism of nanocomposite electrode material to design high light efficiency of buffer layer structure and surface photonic crystal structure therefore improve the extraction efficiency of deep UV. By studying this project, providing the theoretical guidance and technical support for the development of AlGaN based deep UV LED device.

本项目针对AlGaN基深紫外LED器件，开展AlGaN材料的生长机理和生长动力学、缺陷产生机制、AlGaN材料的p型激活机理等基础问题研究，实现低缺陷的AlGaN材料及高浓度的p型掺杂。设计新型量子阱结构，结合量子结构应力与能带调控，提升深紫外LED器件的内量子效率。采用理论分析、材料质量表征、光电特性表征和可靠性分析等手段揭示深紫外LED材料结构中的应力应变、p型掺杂、载流子输运、欧姆接触、器件退化与可靠性加固等核心机制和规律。深入分析影响光提取效率的各种因素，研究纳米复合电极材料的欧姆接触机制，设计高出光效率的缓冲层结构及表面光子晶体结构，提高器件的深紫外光提取效率。通过本课题的研究，为我国AlGaN基深紫外LED器件的发展提供理论指导和技术支撑。

AlGaN基深紫外LED在杀菌消毒、非视距通信等领域都有广泛的应用价值。然而，目前器件依然存在若干科学问题，包括高Al组分材料生长和缺陷控制，AlGaN材料的p型掺杂及激活技术，量子阱结构极化和应力场调制，高反射、低欧姆接触，大电流条件下的失效机制等。本项目针对上述关键科学问题和技术瓶颈，从材料、器件和可靠性角度开展了研究。采用了理论与实验相结合的方式，对AlN及高Al组分AlGaN单晶材料的生长机理和低缺陷材料的生长方法开展了研究，系统阐明了不同生长参数、不同涂布方法、不同高温退火工艺对AlN及高Al组分AlGaN材料的位错密度以及表面形貌的影响；通过脉冲和连续生长周期的优化设计，实现了AlN基板的高生长速率和结晶质量，实现了XRD摇摆曲线半高宽158 arcsec，背景载流子浓度为8.01×10^11 cm^-3的高Al组分AlGaN材料；采用X射线光电子能谱、光致发光谱等方法，研究了超临界流体处理对AlGaN外延片的影响；系统研究了渐变组分的AlGaN势垒层结构以及阱前超晶格势垒层中Al组分对器件性能的影响，采用双超晶格结构、n-AlGaN/GaN调制掺杂等方法，实现了20 mA注入电流下标准光功率为8.1 mW，350 mA注入电流下标准光功率为77.9 mW的高效深紫外LED器件；掌握了石墨烯-Ag纳米颗粒透明电极制备工艺，弄清了Ag/p-GaN欧姆接触、n欧姆接触机理，对n-AlGaN欧姆接触、p-GaN Ag欧姆接触以及p-GaN表面退火进行了深入研究；研究了界面修饰技术、表面等离激元增强方法、光子晶体技术等光提取效率结构及相应机理；阐明了长时间电应力下AlGaN基深紫外LED光功率的衰减及泄漏电流的增加规律，采用深能级瞬态谱等方法系统分析了电应力作用下缺陷的行为，揭示了器件导电机制与陷阱激活能的关联规律。本项目的研究为我国AlGaN基深紫外LED器件的发展提供理论指导和技术支撑。