常见的晶格结构都是什么

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       【前言】
       使用
       先进的半导体器件物理模型仿真软件
       程序，研究了在有源区具有厚度线性调频势垒的蓝色InGaN发光二极管(LED)的优势。
       当在250mA的电流下，所提出的LED的输出功率增加了80%，效率下降从传统LED的59%降低到28%。


       从电学和光学特性来看，这些改进主要归因于通过使用厚度线性调频势垒改变有源区中的静电场。
       在偶数势垒中，电场增加，从而消除了更严重弯曲的价带，并导致有源区中空穴传输的势垒高度降低。
       此外，最后一个势垒中的静电场方向反转为沿空穴的漂移方向，这不仅会导致导带上弯，提高电子逃逸的势垒高度，还会加速空穴，增加空穴注入电流，
       结果增强了电子阻挡和空穴注入，进而提高了所提出的LED的性能。


       【InGaN/GaN发光二极管】
       在过去的几十年中，InGaN/GaN发光二极管(LED)取得了巨大的进步，现已被视为取代传统灯的新一代发光源由于具有频谱覆盖广、功耗低、体积小、寿命长等优点。
       然而，电流注入效率淬灭问题仍需解决，这是对效率提升的挑战，限制了它们在固态照明和显示等大功率应用中的应用。


       InGaN基LED中电流注入效率猝灭的起源之前已经阐明，这涉及载流子传输（受空穴传输限制）、热电子载流子逃逸过程、量子阱(QW)和势垒层中的复合。
       这些发现与最近的实验工作一致，这些工作表明热电子逃逸过程在影响高电流注入水平下蓝色InGaN基LED的电流注入过程中的重要性，一些因素导致热离子电子逃逸过程发生。


       首先，电子逃逸的势垒高度很小，很难阻止所有电子溢出到p侧，其次，由于电子-空穴波函数包络被极化场减小，辐射复合率降低，这导致有源区中复合的载流子减少，那么溢出有源区的机会就增加了，
       而低空穴注入效率是导致电子溢出和效率下降的重要因素。
       由于有效质量大，迁移率低，空穴通常分布在p型层附近或电子阻挡层（EBL）界面附近的量子阱中，不仅可以降低辐射复合率，还可以吸引电子流动在EBL，加剧了效率下降。


       另一方面，EBL不仅也表明了其作为InGaN基LED的限制因素的重要性，
       也表明稀砷GaNA作为带间可忽略不计的新材料俄歇复合，这也是提高蓝光LED效率的重要途径。
       因此，为提高InGaNLED的量子效率和抑制电流注入猝灭，设计一种具有高电子阻挡和空穴注入效率的新型结构具有重要意义。


       一些关于提高复合效率和抑制电子逃逸的研究，已经通过氮化物基LED的新型势垒设计进行，
       特别是通过使用大带隙AlInN、AlInGaN或AlGaN势垒材料、渐进势垒设计和交错量子阱结构等。
       此外，非极性/半极性QW用于减轻能带弯曲并增加电子-空穴波函数包络以提高内部量子效率(IQE)，还设计了厚度可变的量子阱结构，以改善电子和空穴的均匀分布。


       人们还提出了一些其他方法来通过优化EBL来提高空穴注入效率，例如EBL的分级势垒设计、使用极化匹配的AlInGaNEBL、特殊设计的AlGaN/GaN超晶格EBL和偏振控制LED。
       这些方法虽然改变了电势分布与电子逃逸的势垒高度，但却增加了金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺的实现难度，因此应该开发一种简单但有效的结构来同时提高电子阻挡和空穴注入的效率。


       在InGaN基LED中，人们提出了在有源区中具有势垒厚度的结构，来克服当前InGaNLED设计中的这些缺点。
       该结构的光学和电学特性通过具有非局部QW传输模型的CrosslightAPSYS（高级半导体器件物理模型）程序进行研究，
       为了探究性能改进的根源，通过自洽地求解薛定谔方程、泊松方程、载流子传输方程和电流连续性方程来研究能带、场和载流子分布。


       【结构与参数】
       传统的LED被设计成生长在C-平面里，底部由蓝宝石衬底，整体是2微米的厚度，其中未掺杂GaN层，以及2.5微米厚n型GaN层。
       传统LED的有源区包括五个2.5纳米厚在0.21镓0.79否QW由六个10纳米厚的GaN势垒隔开，而LED的势垒厚度会发出啁啾声。


       为了确保这两种结构的有源区厚度相同，所提出的LED的奇数势垒宽度设置为14nm，偶数势垒设置为6nm，并且厚度已经过优化，
       通过改变AlGaN材料中Mg掺杂剂的活性能量，将p掺杂的活性效率设置为1%。
       仿真采用三维有限元分析，电子尺寸设为200微米×200微米，所提出样品的主要优点不仅可以减轻电子溢出，还可以改变每个QW中空穴的分布，进而缓解电流注入效率猝灭。


       【仿真结果与讨论】
       关于在有源区使用厚度线性调频势垒对InGaN-LED性能的优势，人们探讨了两种结构的光功率和IQE。
       与传统LED相比，所提出的LED的光学性能要好得多，后者的功率几乎随电流线性增加，而传统LED则呈非线性增加。
       此外，当电流为250mA时，所提出的LED的输出功率为315mW，比传统LED(175mW)高约80%，
       这意味着更多载流子在所提出的LED中重组，该结果与内量子效率一致。


       当电流增加到250mA时，效率下降出现并且差异明显，当电流增加到250mA时，传统结构的IQE几乎下降了59%，而所提出的LED的IQE仅下降了28%。
       这表明在有源区中具有厚度线性调频势垒的结构可以显着改善效率下降，这表明所提出的结构可以有效地缓解电流注入效率猝灭的问题。


       为了探究所提出的具有厚度线性调频势垒的结构可以提高InGaN-LED性能的原因，
       人们研究了能带图、静电场图、载流子浓度图和电流密度图。
       由于AlGaN材料中的大极化场引起的大静电场，常规结构的导带在最后一个势垒和EBL的界面附近向下弯曲，这摆脱了电子准费米能级之间的短能量距离（图中红线）和EBL附近的导带。


       结果显示，电子逃逸的有效势垒高度降低，导致大量电子溢出，进而出现效率下降的问题，此外由于这个向下弯曲的带，形成了一个偏斜量子阱，许多电子驻留在这个阱中，增加了溢出的机会。
       所提出的LED中最后一个势垒的导带是上弯的，并且导带的能量空间和EBL附近的准费米能级被扩大，导致电子逃逸的有效势垒高度增加，电子逃逸的势垒高度从290meV（常规LED）增加到458meV（拟议的LED）。


       因此，可以有效地减少溢出到p侧的电子，并且可以将更多的空穴注入有源区，此外传统LED有源区价带与空穴准费米能级的距离从p侧向n侧增加，这意味着有源区空穴传输的势垒高度单调增加。
       然而，当所提出的LED中的势垒厚度发生线性调频时，有源区中空穴传输的势垒高度就会降低，这将导致更多的空穴被传输到n型层附近的阱。


       与传统结构相比，LED具有厚度线性调频势垒的有源区电子密度会持续增加，这意味着该结构可以增强电子的限制。
       此外，所提出的LED的每个阱中的空穴浓度也会明显增加，
       这可能是由于当势垒厚度发生线性调频时空穴传输的有源区势垒高度降低。


       所提出的LED在p侧层的电子电流密度几乎为0，但仍高达传统的LED，这表明所提出的LED具有更高的电子阻挡效率。
       由于空穴注入的势垒高度降低，所提出的LED在p侧层的空穴电流密度大于传统LED，这意味着空穴注入得到增强，因此有源区中的空穴浓度增加，从而减轻了IQE的下降并提高了输出功率。


       当势垒厚度减小时，电场增强，导致价带弯曲更严重，然后价带覆盖更多的准费米能级，导致空穴传输的势垒高度降低。
       紧接着与传统的LED相比，空穴传输所提出结构的最后一个屏障中的静电场这导致潜在的配置文件存在很大差异，从而导致寄生QW消失。
       很少有电子停留在最后一个势垒/EBL的界面上，溢出的机会也减少了，
       更重要的是，所提出的LED最后一个势垒中的场方向是从p侧到n侧，沿着空穴的漂移方向。


       可以在该层加速空穴，将更多的空穴注入有源区，从而增加空穴注入电流，所提出的LED的InGaN量子阱中的场弱于传统LED的场，这意味着量子限制斯塔克效应得到了缓解。
       所提出的LED的波长发生蓝移并且波函数包络增加，
       这表明峰值发射波长从446nm（传统LED）蓝移到建议的443nm，自发重组率也增加，这意味着重组效率提高。
       很明显，所提出的LED在光学和电气方面都比传统LED表现更好，有源区厚度线性调频势垒的设计有利于大功率、高效率的蓝光和白光照明应用，也可以应用于其他III族氮化物发光二极管。


       【结论】
       总而言之，通过设计具有包括厚度线性调频势垒的有源区的样品，对研究了厚度线性调频势垒对InGaNLED的结构性能是会造成影响的。
       当GaN势垒厚度发生线性调频时，偶数势垒中的静电场增强，从而消除了修改后的电势分布，然后增加电子逃逸的势垒高度，同时降低空穴传输的势垒高度。


       将其与传统结构相比，最后一个势垒中的静电场方向与所提出的LED中空穴的漂移方向相反，这不仅导致上弯带，而且增加了空穴的速度，然后增强空穴注入和电子阻挡。
       所以，更多的空穴注入并传输到有源区，更少的电子溢出到p侧层，所以LED的光输出功率提高了80%，IQE下降在250mA电流下从59%降低到28%，这有望用于高效固体-状态照明和其他光电应用。
       此方法需要进一步的生产优化才能实现这种结构的潜在优势，这有望用于高效固态照明和其他光电应用。


       参考文献：
       InGaN/GaN发光二极管在微观和纳米尺度上的光输出功率增强，应用学报物理，第103卷，第0143142008页。
       通过AlGaN夹层和电子阻挡层增强InGaN/GaN发光二极管的光功率，技术通讯，第24卷，第22号，2012年。
       用梯度组分多量子势垒改善InGaN/GaN发光二极管的空穴传输，N.Otsuji，K.Fujiwara和J.K.Sheu，2011。
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