用于光通信的Ⅲ族氮化物LED特性与制备技术研究

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Ⅲ族氮化物可用于InGaN/GaN基的蓝光和绿光LED,广泛应用于半导体照明与显示,而基于高Al组分的AlGaN基深紫外LED在便携高效的深紫外光源领域发挥显著作用。随着LED的大范围普及,附加在LED上的诸多智能控制功能将以更低的成本得以实现,其中可见光通信技术最具前景。但是,氮化物LED的带宽并不高,是目前可见光通信技术发展的瓶颈。  本论文研究围绕光通信用氮化物LED的调制特性展开,通过自行搭建测试LED调制带宽测试系统,结合实验室已有的材料器件表征技术,细致研究了影响LED调制速度的因素。主要研究工作及成果如下:  1.搭建了一套LED调制带宽测试系统,可以快捷准确测试LED的频率响应曲线,得到3-dB带宽。该系统支持的LED最大偏置电压为30V、最大偏置电流为500mA,系统测试带宽最大为1.2GHz,支持波长从200nm至1100nm的LED带宽测试。  2.研究不同芯片尺寸和互连方式对LED调制速度的影响。通过LED的频率响应测试得出不同尺寸和不同互连方式的LED的调制带宽不尽相同,但是在相同的电流密度下,其调制速度几乎一致,并随电流密度的增加而增加,这间接证明了载流子复合寿命是影响氮化物LED调制速度的主要因素。  3.研究了LED中MQWs结构对LED调制速度的影响。对于MQWs中量子阱宽度对调制速度的影响,由于窄量子阱LED的电子空穴空间波函数的重叠几率更高,且载流子泄露效应更显著,所以其载流子复合速率更快,调制速度更高。对于MQWs中量子垒高度对调制速度的影响,使用不同In组分的InGaN作为量子垒,当In组份为1%时,由于InGaN量子垒提高了LED中辐射复合所占的比重,所以光功率和调制带宽均高于GaN量子垒LED;当In组份为5%时,电子泄露导致的复合机制占据主要地位,且晶体缺陷导致的SRH复合和俄歇复合严重,所以LED的量子效率降低,但由于非辐射复合的复合速率并不低,所以调制速度显著提高。  4.通过研究含有不同Al组分AlGaN EBL的LED的光电特性得出了压电极化电场和空穴注入效率对LED调制带宽的影响。随着EBL层中Al组分的降低,LED的调制速度得到提高,这得益于更低的EBL层引起的更高的辐射复合率和空穴注入效率。  5.研究了氮化物的n型delta掺杂技术。首先在n-AlGaN材料上使用delta掺杂技术,XRD(002)摇摆曲线半高宽为150arcsec,载流子浓度为2.17×1018/cm3,电子迁移率为108.7cm2/Vs,以此为基础的深紫外LED的电致发光强度比传统LED提高30%。然后,在GaN蓝光LED上使用delta掺杂,正向工作电压和反向漏电流均得到降低,3-dB调制带宽比传统LED显著增加,40mA下调制带宽为80.9MHz。对delta掺杂的LED进行大信号测试,在70mA的偏置电流下,380Mbit/s时出现误码,误码率为1.5×10-9,在450Mbit/s时误码率达到4×10-6。
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