突破效率瓶颈：AlGaN基深紫外半导体发光器件结构优化策略

突破效率瓶颈：AIGaN基深紫外半导体

发光器件结构优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

随着科技的飞速发展，半导体发光器件在众多领域展现出了巨大的应用潜力。其中，AIGaN

基深紫外半导体发光器件以其独特的优势，成为了研究的热点。AIGaN基深紫外半导体发光

器件可发射波长在200-365nm的深紫外光，在杀菌消毒、生物医疗、环境监测、光通信等

领域具有广泛的应用前景。在杀菌消毒领域，深紫外光能够破坏微生物的DNA或RNA结

构，从而达到高效杀菌消毒的目的，相较于传统的化学消毒方法，具有无残留、无污染、效率

高等优点，在水和空气净化、食品保鲜、医疗卫生等方面有着重要的应用。在生物医疗领

域，可用于生物分子检测、细胞成像、光动力治疗等，能够实现对疾病的早期诊断和精准治

疗。在环境监测领域，可用于检测空气中的有害气体、水中的污染物等，为环境保护提供了有

力的技术支持。在光通信领域，深紫外光通信具有保密性好、抗干扰能力强等优点，有望成为

未来高速、安全通信的重要手段。

然而，目前AIGaN基深紫外半导体发光器件的性能仍有待提高，尤其是其发光效率较低，严

重限制了其在实际应用中的推广和发展°这主要是由于AIGaN材料的一些固有特性以及器件

结构设计的不合理所导致的。例如，AIGaN材料中的极化效应会导致量子阱中的电子和空穴

波函数分离，降低辐射复合效率；同时，AIGaN材料的高折射率和低吸收系数也使得光提取

效率较低。此外，器件结构中的电极设计、有源区结构等因素也会对器件的性能产生重要影

响。因此，对AIGaN基深紫外半导体发光器件的结构进行优化，提高其发光效率和性能，具

有重要的理论意义和实际应用价值。

通过对器件结构的优化，可以有效地改善AIGaN基深紫外半导体发光器件的性能，提高其发

光效率和稳定忤，降低成本,从而推动其在各个领域的广万应用.在杀菌消毒领域，更高效率

的深紫外发光器件可以实现更快速、更彻底的消毒效果，为公共卫生安全提供更可靠的保障。

在生物医疗领域，性能优良的器件可以为生物医学研究和临床治疗提供更先进的技术手段，促

进医学的发展。在环境监测领域，能够更准确、更灵敏地检测环境污染物，为环境保护提供更

有力的支持。在光通信领域，可实现更高速度、更稳定的通信，满足人们对信息传输的需求。

对AIGaN基深紫外半导体发光器件结构优化的研究，还可以为其他半导体发光器件的设计和

制备提供借鉴和参考，推动整个半导体光电子领域的发展。

1-2研究目标与关键问题

本研究旨在通过对AIGaN基深紫外半导体发光器件的结构进行优化，提高其电光转换效率、

发光强度和稳定性，降低成本，以满足不同领域对高性能深紫外发光器件的需求。具体研究目

标如下：

1.提高载流子注入效率：通过优化电极结构和有源区设计，减少载流子注入过程中的阻碍，

提高电子和空穴的注入效率，增加有源区中的载流子浓度，从而提高器件的发光效率。

2.降低光损耗：研究光在器件内部的传输和损耗机制，通过优化器件结构和材料选择，减少

光在传输过程中的吸收和散射，提高光提取效率，降低光损耗。

3.提升器件的稳定性和可靠性：分析器件在工作过程中的热效应和应力分布，通过优化散热

结构和材料匹配，降低器件的结温，减少热应力对器件性能的影响，提高器件的稳定性和

可靠性。

4.降低成本：探索新的制备工艺和材料，在保证器件性能的前提下，降低器件的制备成本，

提高其市场竞争力。

为了实现上述研究目标，需要解决以下关键问题：

5.载流子注入效率问题：AIGaN材料中高AI组分导致n型和p型掺杂困难，载流子浓度

低，尤其是空穴注入效率低。同时，电极与半导体之间的接触电阻较大，阻碍了载流子的

注入。如何优化电极结构和有源区设计，提高载流子注入效率，是需要解决的关键问题之

-O例如，研究新型的电极材料和制备工艺，降低电极与半导体之间的接触电阻；设计合

理的有源区结构，促进载流子的注入和复合。

6.光损耗问题：p-GaN层对深紫外光吸收较强，导致光损耗较大。此外，器件内部的界面

反射和散射也会降低光提取效率。如何减少P-GaN层对深紫外光的吸收，优化器件内部

的光学结构，提高光提取效率，是提高器件性能的关键。可以通过减薄P-GaN层厚度、

采用高反射率的电极材料、设计微纳结构等方法来降低光损耗。

7.量子限制斯塔克效应问题：AIGaN材料中的极化效应会导致量子阱中的电子和空穴波函数

分离，产生量子限制斯塔克效应，降低辐射复合效率。如何抑制量子限制斯塔克效应，增

加电子和空穴波函数的重叠积分，提高辐射复合效率，是提高器件发光效率的关键。可以

通过设计特殊的量子阱结构，如阶梯形量子阱、应变补偿量子阱等，来缓解量子限制斯塔

克效应。

8.热管理问题：器件在工作过程中会产生大量的热量，导致结温升高，影响器件的性能和寿

命。如何优化散热结构，提高散热效率，降低结温，是保证器件稳定性和可靠性的关键。

可以采用热导率高的材料作为衬底或散热层，设计合理的散热通道，提高器件的散热能

力。

1.3研究方法与创新点

本研究将综合运用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，对AIGaN基深紫外半导体

发光器件的结构进行优化。理论分析方面，深入研究AIGaN材料的物理特性，如能带结构、

极化效应、光学特性等，为器件结构优化提供理论基础。通过建立物理模型，分析载流子的注

入、传输和复合过程，以及光在器件内部的传输和损耗机制，从而找出影响器件性能的关键因

素。

实验研究是本研究的重要环节。将开展一系列实验，包括材料生长、器件制备和性能测试。在

材料生长方面，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）等先进技术，生长高质量的AIGaN

材料，并通过优化生长工艺参数，如温度、压力、气体流量等，提高材料的晶体质量和电学性

能,在器件制备过程中，运用光刻、刻蚀、薄膜沉积等微纳加工技术，制备出具有不同结构的

深紫外发光器件。对制备好的器件进行全面的性能测试，包括电致发光特性、光输出功率、外

量子效率、发光稳定性等，通过实验数据验证理论分析和数值模拟的结果，并为进一步优化提

供依据。

数值模拟则利用专业的半导体器件模拟软件，如SilvacoTCAD等，对器件的电学、光学和热

学性能进行模拟分析。通过建立精确的物理模型，模拟不同结构参数下器件的性能，如载流子

浓度分布、电场分布、光强分布等，预测器件的性能变化趋势，为实验研究提供指导。数值模

拟还可以快速筛选出潜在的优化方案，减少实验次数，降低研究成本。

本研究的创新点主要体现在以下几个方面：一是探索新型的器件结构，通过引入新的结构设

计，如三维立体结构、量子点结构等，改善载流子的注入和复合效率，提高光提取效率。二是

改进材料生长和器件制备工艺，通过优化工艺参数和流程，提高材料的质量和器件的性能，降

低成本。三是综合运用多种研究方法，将理论分析、实验研究和数值模拟有机结合，实现对器

件结构的全面优化，提高研究效率和准确性。

二、AIGaN基深紫外半导体发光器件基础

2.1器件工作原理

AIGaN基深紫外半导体发光器件的工作原理基于半导体物理中的载流子注入、复合和光发射

过程。在器件中，当给器件施加正向偏压时，电子从n型半导体区域注入到有源区，空穴从p

型半导体区域注入到有源区。这一过程涉及到半导体的能带结构，n型半导体中的导带底部

存在大量的电子，而P型半导体的价带顶部存在大量的空穴。在正向偏压的作用下，电子和

空穴克服各自的势垒，向有源区移动。

以AIGaN基深紫外发光二极管（DUV-LED）为例，其结构通常由n型AIGaN层、有源区

（多量子阱结构，MQW）和p型AIGaN层组成。在正向偏置下，n型AIGaN层中的电子在

电场作用下，通过导带向有源区注入；P型AIGaN层中的空穴在电场作用下，通过价带向有

源区注入。由于AIGaN材料的高AI组分，n型和p型掺杂相对困难，导致载流子浓度较低，

尤其是空穴注入效率较低，这是影响器件性能的关键因素之一。

在光提取效率方面，传统平面结构也面临挑战。由于AIGaN材料的高折射率，光在器件内部

传播时容易发生全反射，大部分光被限制在器件内部，难以有效地提取出来。p-GaN层对

深紫外光具有较强的吸收，进一步降低了光提取效率。例如，在典型的传统平面结构中，光

在AIGaN与空气的界面处，由于折射率的巨大差异，大部分光会发生全反射，只有一小部分

光能够以一定的角度逸出器件表面，导致光提取效率低下。

2.2.2垂直结构

垂直结构的AIGaN基深紫外半导体发光器件是为了解决传统平面结构的一些问题而发展起来

的。在垂直结构中，电流垂直于衬底方向流动，从n型电极注入，经过有源区后从p型电极

流出。这种结构的优势在于能够有效提升电流扩展能力。由于电流垂直流动,避免了平面结

构中电流横向传输时的不均匀问题，使得载流子能够更均匀地注入到有源区。在垂直结构的

深紫外发光二极管中，通过优化电极设计和材料结构，可以使电流在整个有源区均匀分布，提

高载流子复合效率，从而提升器件的发光效率。

垂直结构还能显著提高光提取效率。在垂直结构中，可以通过去除对深紫外光有吸收的衬底和

缓冲层，臧少光在传输过程中的损耗o同时，垂直结构有利于实现光的垂直出射，减少了光

在器件内部的全反射，提高了光提取效率。例如，一些研究通过激光剥离蓝宝石衬底等技

术，制备出垂直结构的深紫外发光器件，实验结果表明，与传统平面结构相比，光提取效率得

到了明显提升。

垂直结构的制备工艺较为复杂。在制备过程中，需要解决衬底剥离、键合等关键技术难题。

以激光剥离蓝宝石衬底为例，需要精确控制激光的能量和波长，以避免对器件外延层造成损

伤。键合过程中，需要保证键合界面的质量，确保器件的电学和光学性能不受影响。这些技

术要求高，增加了制备的难度和成本。垂直结构器件的电极制备也相对复杂，需要特殊的工

艺来实现良好的欧姆接触，进一步增加了制备成本。

2.2.3三维结构

三维结构的AIGaN基深紫外半导体发光器件是近年来研究的热点方向之一。这种结构通过引

入一些特殊的三维结构，如纳米柱、纳米孔、V形槽等，来改善器件的性能。在三维结构

中，通过在有源区引入纳米柱结构，可以增加有源区的表面积，改善载流子注入和分布。纳

米柱结构可以提供更多的载流子注入通道，使载流子能够更均匀地分布在有源区，从而提高内

量了效率。在一些研究中，制备了具有纳米柱结构的深紫外发光二极管，实验结果表明，与

传统平面结构相比，内量子效率得到了显著提高。

三维结构还可以通过特殊的结构设计来提高光提取效率。例如，纳米孔结构可以散射光，改变

光的传播方向，使光更容易从器件中提取出来。V形槽结构可以引导光的传播，减少光在器

件内部的全反射，提高光提取效率。一些研究通过在器件表面制备纳米孔阵列，实现了光提

取效率的大幅提升。

三维结构的制备难度较大。在制备过程中，需要精确控制三维结构的尺寸、形状和密度等参

数。以纳米柱结构为例，制备过程中需要采用高精度的光刻和刻蚀技术，以确保纳米柱的尺

寸均匀、形状规则。三维结构的制备工艺复杂，成本较高，限制了其大规模应用。三维结构

的制备过程中，还容易引入缺陷，影响器件的性能，需要进一步优化制备工艺来解决这些问

题。

二、AIGaN基深紫外半导体发光器件基础

2.3性能评估指标

2.3.1外量子效率

外量子效率(ExternalQuartum日万ciency,EQE)是评估AIGaN基深紫外半导体发光器件

性能的关键指标之一，它定义为器件发射的光子数与注入的电子■空穴对数之比。其计算公

式为：EQE=\frac{\text{发射的光子数}}{\text{注入的电子•空穴对数}}\times100\%。在实际测

量中，通常通过测量器件的光输出功率和注入电流来计算外量子效率。假设器件的光输出功率

为PJout}(单位为W),注入电流为I(单位为A),电子电荷量为e(e=1.6\times10A{-

19}C),光了能量为h\nu(h为普朗克常量，h=6.63\times10A{-34}J\cdots,\nu为光了频

率)，则外量子效率可表示为：EQE=\frac{PJout}/h\nu}{l/e}\times100\%o

外量子效率直接反映了器件将注入的电能转化为光能的能力。对于AIGaN基深紫外半导体发

光器件，提高外量子效率意味着在相同的注入电流下，可以获得更高的光输出功率，从而提高

器件的发光效率和性能。在一些杀菌消毒应用中，更高的外量子效率可以使深紫外发光器件

在更短的时间内达到所需的杀菌剂量，提高消毒效率；在生物医疗检测中，能够更灵敏地检测

生物分子，提高检测的准确性。因此，外量子效率是衡量器件性能优劣的重要标准，也是器件

结构优化和性能提升的关键目标之一。

2.3.2光输出功率

光输出功率(OpticalOutputPower)是指器件在单位时间内发射出的光能量，单位为瓦特

(W)或毫瓦(mW)。光输出功率是衡量AIGaN基深紫外半导体发光器件性能的重要指

标，它直接关系到器件在实际应用中的效果。在杀菌消毒领域，光输出功率决定了杀菌的速

度和范围，较高的光输出功率可以在更短的时间内对更大的空间进行消毒，提高杀菌效率；在

光通信领域，光输出功率影响着信号的传输距离和质量，足够的光输出功率可以保证信号在长

距离传输中不被衰减，确保通信的稳定性和可靠性。

光输出功率受到多种因素的影响。载流子注入效率是关键因素之一。如果载流子注入效率低，

有源区中的电子和空穴浓度不足，就会减少辐射复合产生的光子数量，从而降低光输出功

率。如前所述，AIGaN材料的高AI组分导致n型和p型掺杂困难，载流子注入效率较低，

这是限制光输出功率提高的重要因素。光提取效率也对光输出功率有重要影响。由于AIGaN

材料的高折射率和P-GaN层对深紫外光的吸收等原因，光在器件内部传播时容易发生损

耗，导致光提取效率低下，使得实际输出的光功率降低。在传统平面结构的深紫外发光器件

中，由于光提取效率低，大部分光被限制在器件内部，无法有效地输出，从而限制了光输出功

率的提高。

2.3.3电光转换效率

电光转换效率(Electro-OpticalConversionEfficiency,ECE)是指器件将输入的电能转换

为输出光能的效率，它反映了器件在能量转换过程中的有效性。其计算公式为：

ECE=\frac{\text{光输出功率}}{\text{输入电功率}}\times100\%,其中输入电功率等于器件两端

的电压与注入电流的乘积，即P_{in}=V\timesl(V为器件两端的电压，I为注入电流)。

在实际应用中，电光转换效率具有重要意义。高电光转换效率意味着器件在工作时能够将更多

的电能转化为光能，减少能量的浪费，降低功耗。在大规模应用中，如大面积的杀菌消毒、

连续的光通信等场景，低功耗的器件可以降低运行成本，提高能源利用效率。对于一些需要

电池供电的便携式设备，高电光转换效率可以延长电池的使用寿命，提高设备的便携性和实用

性。因此，提高电光转换效率是AIGaN基深紫外半导体发光器件结构优化和性能提升的重要

目标之一，对于推动器件的广泛应用具有重要作用。

三、影响器件性能的结构因素

3.1外延层结构

3.1.1材料选择与晶格匹配

在AIGaN基深紫外半导体发光器件中，外延层材料的选择对器件性能起着决定性作用。

AIGaN材料体系因其宽禁带特性，能够覆盖深紫外波段的发光范围，成为制备深紫外发光器

件的关键材料。通过调整AIGaN中AI的组分，可以精确控制材料的禁带宽度，从而实现不

同波长的深紫外光发射。当AI组分增加时，禁带宽度增大，发射光的波长向短波方向移动，

可实现更短波长的深紫外光发射，满足如生物医疗检测中对特定波长深紫外光的需求；而较低

的AI组分则适合发射波长相对较长的深紫外光，适用于一些对波长要求不那么严格的杀菌消

毒场景O

晶格匹配是材料选择中不可忽视的重要因素。在异质外延生长过程中，由于不同材料的晶格常

数存在差异，会在界面处产生晶格失配应力。这种应力如果过大，会导致外延层中产生大量

的位错、缺陷等晶体结构问题。这些缺陷会成为非辐射复合中心，使得载流子在复合过程中

不发射光子，而是以热能等其他形式释放能量，从而降低器件的内量子效率。在蓝宝石衬底

上生长AIGaN外延层时，蓝宝石与AIGaN的晶格常数存在较大差异，这会导致在生长过程中

产生较大的晶格失配应力，容易在AIGaN外延层中引入大量位错，严重影响器件性能。

为了减少晶格失配带来的负面影响，常采用缓冲层技术。在衬底和AIGaN外延层之间生长一

层或多层缓冲层，如AIN缓冲层。AIN与AIGaN具有相似的晶体结构和较为接近的晶格常

数，通过在蓝宝石衬底上先生长AIN缓冲层，可以有效缓解晶格失配应力，提高AIGaN外延

层的晶体质量。缓冲层的生长条件，如温度、压力、生长速率等，对其缓解晶格失配应力的

效果也有重要影响。适当提高AIN缓冲层的生长温度，可以改善其晶体质量，更好地发挥缓

冲作用，减少AIGaN外延层中的缺陷，提高器件的内量子效率。

3.1.2各层厚度与掺杂浓度

各层厚度和掺杂浓度是影响AIGaN基深紫外半导体发光器件性能的关键结构参数，它们对载

流子传输和复合过程有着重要影响。

在n型AIGaN层中，厚度和掺杂浓度直接关系到电子的峙输效率。如果n型AIGaN层过

薄，电子在传输过程中可能会受到较大的电阻阻碍，导致电子注入有源区的效率降低。而过

厚的n型AIGaN层则会增加材料的电阻，消耗更多的电能，降低器件的电光转换效率。掺杂

浓度也至关重要，适当提高n型AIGaN层的掺杂浓度，可以增加电子浓度，提高电子的迁移

率，从而提高电子注入有源区的效率。但如果掺杂浓度过高，会导致杂质散射增强，反而降

低电子的迁移率。在一些研究中，通过优化n型AIGaN层的厚度和掺杂浓度，将厚度控制在

合适的范围内，如2-3pm,同时将掺杂浓度调整到1x10A18・1x1()A19cmA-3,使得电子能

够高效地注入有源区，提高了器件的发光效率。

P型AIGaN层的厚度和掺杂浓度对空穴的传输和注入有源区的效率同样有着重要影响。由于

AIGaN材料中p型掺杂相对困难，空穴浓度较低，因此优化p型AIGaN层的结构参数尤为关

键。较薄的P型AIGaN层可以减少空穴在传输过程中的复合损失，但如果过薄，可能无法提

供足够的空穴浓度。提高P型AIGaN层的掺杂浓度可以增加空穴浓度，但过高的掺杂浓度会

导致晶体质量下降，增加非辐射复合中心。通过采用梯度掺杂等技术，在P型AIGaN层中实

现从高掺杂到低掺杂的梯度变化，既能保证空穴的有效注入，又能减少非辐射复合，提高器件

的性能。

有源区的多量子阱结构中，量子阱和量子垒的厚度对载流子的限制和复合起着关键作用。较

薄的量子阱可以增强量子限制效应，使电子和空穴在量子阱中的波函数重叠积分增加，提高辐

射复合效率。但如果量子阱过薄，会导致载流子的隧穿几率增加，降低载流子的限制效果O

量子垒的厚度则影响着载流子在量子阱之间的传输和复合。适当增加量子垒的厚度，可以有

效阻挡电子的隧穿，提高载流子在量子阱中的限制时间，增加辐射复合的几率。但量子垒过

厚会增加载流子的传输难度，降低载流子的注入效率。在一些研究中，通过精确控制量子阱

和量子垒的厚度，如将量子阱厚度控制在2・3nm,量子垒厚度控制在1075nm,实现了载

流了的高效复合，提高了器件的内量子效率。

3.2电极结构

3.2.1欧姆接触特性

欧姆接触在AIGaN基深紫外半导体发光器件中起着至关重要的作用，它直接影响着器件的电

学性能和发光效率。欧姆接触的主要作用是提供低电阻的电流通路，确保载流子能够顺利地从

电极注入到半导体材料中。在理想的欧姆接触中，电流与电压呈线性关系，接触电阻趋近于

零，这样可以最大限度地减少能量损耗，提高器件的电光转换效率。

在实际的AIGaN基深紫外半导体发光器件中，实现良好的欧姆接触面临着诸多挑战。由于

AIGaN材料的高AI组分，其功函数较大，这使得找到合适的金属材料与之形成良好的欧姆接

触变得困难。P型AIGaN中的Mg受主离化能高、离化率低，导致空穴浓度难以提高，进一

步增加了形成良好欧姆接触的难度。如果欧姆接触不良，会导致接触电阻增大，使得在电流

传输过程中产生较大的电压降，消耗更多的电能，降低器件的发光效率。接触电阻过大还会

导致器件发热严重，影响器件的稳定性和寿命。

为了改善欧姆接触特性，研究人员采取了多种方法。在电极材料选择方面，进行了大量的探索

和研究。一些研究发现，采用多层金属结构可以有效改善欧姆接触。如采用Ni/Au/Ni；Au透明

电极体系，通过优化各层金属的厚度和退火条件，可以使接触电阻率显著降低。当

Ni/Au/Ni/Au各层厚度由20/20/20/20nm减薄至2/2/5巧nm,并在600℃空气氛围退火3min

时，其与p-AIGaN材料的接触电阻率从3.23x10A-1Q•cmA2降到2.58x10A-4Q•cmA2,

采用该优化体系制备的深紫外LED器件，工作电压降低，光输出功率提升。

退火处理也是改善欧姆接触的重要手段。通过对电极进行适当的退火处理，可以促进金属与半

导体之间的化学反应，形成低电阻的接触界面。在p-AIGaN表面沉积Ni/AWNi/Au电极后，

在600℃空气氛围下退火3min,可形成p型半导体材料NiO,从而改善接触特性。然而，

退火温度和时间需要精确控制，过高的退火温度或过长的退火时间可能会导致金属扩散、半导

体材料损伤等问题，反而恶化欧姆接触。

3.2.2电极设计与电流扩展

电极设计对电流扩展有着至关重要的影响，它育接关系到器件内部电流分布的均匀性,讲而影

响器件的发光性能。在AIGaN基深紫外半导体发光器件中，由于AIGaN材料的高电阻特性，

电流在传输过程中容易出现不均匀分布的情况。如果电极设计不合理，电流可能会集中在电

极附近的区域，导致该区域的载流子浓度过高，而远离电极的区域载流子浓度不足，这种电流

分布不均匀会引发一系列问题。在电极附近区域，过高的载流子浓度会导致非辐射复合增

加，产生大量的热量，降低器件的发光效率和稳定性。远离电极区域的载流子浓度不足则会

使这些区域的发光效率低下，导致整个器件的发光不均匀。

为了优化电极结构以提高电流均匀性，研究人员提出了多种设计方案。一种常见的方法是采用

叉指状电极结构。在叉指状电极结构中，电极呈叉指状相互交错排列，这样可以增加电流的

注入路径，使电流能够更均匀地分布到有源区。通过合理设计叉指的宽度、间距和长度等参

数，可以有效改善电流扩展性能。适当减小叉指的宽度和间距，可以增加电流的注入点，使

电流更均匀地扩散到有源区；而合适的叉指长度则可以保证电流在传输过程中的稳定性。在

一些研究中，通过优化叉指状电极结构，使器件的电流均匀性得到了显著提高，发光效率也相

应提升。

还可以采用透明导电电极来改善电流扩展。透明导电电极不仅具有良好的导电性，还能够保

证深紫外光的透过率，减少对光输出的影响。常见的透明导电电极材料有氧化烟锡（IT。）、

氧化锌（ZnO）等。在p型AIGaN层上沉积n■。透明导电电极，可以有效地扩展电流，提

高电流均匀性。IT。具有较高的电导率和良好的光学透明性，能够在保证电流传输的,减少

对深紫外光的吸收，提高光提取效率。然而，ITO在深紫外波段的稳定性和可靠性仍有待提

高，需要进一步研究和改进。

3.3光提取结构

3.3.1内部全反射问题

在AIGaN基深紫外半导体发光器件中，内部全反射是导致光提取效率低的关键因素之一，其

原理基于光的折射定律和临界角概念。当光从光密介质（如AIGaN,其折射率较高，通常在

2.5-3.5之间）射向光疏介质（如空气,折射率约为1）时，根据折射定律n_1\sin\theta_1=

n_2\sin\theta_2（其中n_1和n_2分别为两种介质的折射率，\theta_1和\theta_2分别为入射

角和折射角），会发生折射现象。当入射角\theta_1增大到一定程度时，折射角\theta_2会达

至90°,此时的入射角称为临界角\theta_c,；M^.\sin\theta_c=\frac{n_2}{n_1}o在AIGaN基

深紫外半导体发光器件中，由于AIGaN材料与空气之间的折射率差异较大，使得临界角较

小。例如，当AIGaN的折生率取3.0,空气折射率为1时，计算可得临界角

\theta_c=\arcsin（\frac{1}{3}）\approx19.5°。这意味着在器件内部，只有当光线以小于临界角

的角度传播到AIGaN与空气的界面时，才有可能逸出器件表面，而大部分光线由于传播角度

大于临界角，会在界面处发生全反射，被限制在器件内部，无法有效提取出来。

这种内部全反射现象对光提取效率产生了严重的负面影响。大量的光在器件内部不断地发生全

反射，导致光在器件内部的传播路径变长，增加了光被吸收的概率。p-GaN层对深紫外光

具有较强的吸收，光在器件内部多次反射过程中，更容易被P-GaN层吸收，转化为热能，

从而降低了光提取效率。内部全反射还使得光在器件内部的分布不均匀，进一步影响了器件

的发光性能。在传统平面结构的深紫外发光器件中，由于内部全反射的存在，只有靠近器件

边缘的一小部分光能够以合适的角度逸出，而大部分光被限制在器件内部，导致光提取效率极

低，通常只有百分之几。为了提高光提取效率，需要采取有效的措施来减少内部全反射的影

响，如引入特殊的光提取结构等。

3.3.2表面微结构与光散射

为了提高AIGaN基深紫外半导体发光器件的光提取效率，引入表面微结构是一种有效的方

法，其原理是通过表面微结商增强光散射，改变光的传播方向，使更多的光能够以合适的角度

逸出器件表面。常见的表面微结构包括纳米柱、纳米孔、微透镜等。

以纳米柱结构为例，当光传播到具有纳米柱结构的表面时，由于纳米柱的尺寸与光的波长相

近，会发生光的散射现象。这种散射作用使得光的传播方向变得更加随机，原本在器件内部

因全反射而被限制的光，有机会改变传播方向，以小于临界角的角度传播到器件表面，从而提

高光提取效率。在一些研究中，通过在AIGaN基深紫外发光器件表面制备纳米柱阵列，实验

结果表明，与传统平面结构相比，光提取效率得到了显著提升。当纳米柱的直径为200-

300nm,高度为500-800nm时，光提取效率可提高2-3倍。这是因为纳米柱结构增加了

光与界面的相互作用面积，使得更多的光能够发生散射，改变传播方向，从而增加了光逸出器

件表面的概率。

纳米孔结构也能通过光散射提高光提取效率。纳米孔可以使光在传播过程中发生多次散射，

增加光在不同方向上的传播分量。这些散射光中，有一部分能够以合适的角度逸出器件表

面，从而提高光提取效率。在器件表面制备纳米孔阵列，通过控制纳米孔的尺寸、间距和深

度等参数，可以优化光散射效果，提高光提取效率。当纳米孔的直径为100-200nm间距

为300-500nm时，光提取效率可提高1.5-2倍。

微透镜结构同样可以通过光散射来提高光提取效率。微透镜能够聚焦和散射光，使光在传播

过程中发生方向改变。通过合理设计微透镜的形状、尺寸和分布，可以引导光以更有利的角

度传播到器件表面，从而提高光提取效率。在一些研究中，在器件表面制备微透镜阵列，实

验结果表明，微透镜结构可以有效地提高光提取效率，在某些情况下，光提取效率可提高1・

1.5倍。

四、结构优化策略与方法

4.1理论分析与数值模拟

4.1.1半导体物理模型建立

在对AIGaN基深紫外半导体发光器件进行结构优化时，建立基于半导体物理的模型是深入理

解器件性能和确定优化方向的关键步骤。该模型主要基于半导体物理中的基本理论，包括能带

理论、载流子输运理论、光发射与吸收理论等。

从能带理论出发，AIGaN材料的能带结构是理解其光电特性的基础。AIGaN是一种宽禁带半

导体材料，其禁带宽度随着AI组分的增加而增大。通过精确计算AIGaN材料的能带结构，

可以确定不同AI组分下材料的导带底和价带顶位置，从而明确电子和空穴的能量状态。在建

立模型时，需要考虑AIGaN材料中的极化效应，包括自发极化和压电极化。这些极化效应会

在材料内部产生内建电场，影响载流子的分布和运动。在量子阱结构中，极化效应会导致量

子阱中的电场分布不均匀，使得电子和空穴的波函数发生分离，降低辐射复合效率。因此，

在模型中需要准确描述极化效应，通过引入极化电荷和极化电场的相关参数，来模拟极化效应

对器件性能的影响。

载流子输运理论也是模型建立的重要依据。在AIGaN基深紫外半导体发光器件中，载流子

（电子和空穴）的注入、传输和复合过程对器件性能起着关键作用。在模型中，需要考虑载

流子的扩散、漂移和复合等输运机制。载流子的扩散是由于浓度梯度引起的，其扩散系数与

材料的特性和温度等因素有关。漂移则是在电场作用下发生的，漂移速度与电场强度和载流

子的迁移率相关。复合过程包括辐射复合和非辐射复合，辐射复合是产生光发射的主要机

制，而非辐射复合则会导致能量损失，降低器件的发光效率。通过建立载流子输运方程，结

合材料的电学参数，如载流子迁移率、扩散系数、复合寿命等，可以准确模拟载流子在器件内

部的输运过程。

光发射与吸收理论用于描述光在器件内部的产生和传输过程。在有源区，电子和空穴的辐射

复合会产生光子，光子的能量和波长与材料的能带结构相关。在模型中，需要考虑光的发射

率、吸收系数以及光在器件内部的传播路径等因素。由于AIGaN材料的高折射率和p・GaN

层对深紫外光的吸收，光在器件内部传播时容易发生全反射和吸收损耗。通过建立光传播方

程，结合材料的光学参数，如折射率、吸收系数等，可以模拟光在器件内部的传输过程，分析

光提取效率的影响因素。

建立基于半导体物理的模型后，可以通过数值计算方法求解相关方程，得到器件内部的载流子

浓度分布、电场分布、光强分布等物理量。这些结果可以直观地展示器件内部的物理过程，

为分析器件性能和确定优化方向提供重要依据。通过分析载流子浓度分布，可以了解载流子

在有源区的注入和复合情况，判断是否存在载流子注入不均匀或复合效率低的问题。根据电

场分布，可以评估极化效应和外加电场对载流子输运的影响。光强分布则可以帮助分析光在

器件内部的传输和损耗情况，确定提高光提取效率的潜在途径。

4.1.2模拟软件工具应用

在AIGaN基深紫外半导体发光器件的结构优化研究中，数值模拟软件发挥着至关重要的作

用，它能够帮助研究人员深入理解器件内部的物理过程，预测器件性能，为实验研究提供有力

的指导。常用的模拟软件包括Crosslight、Sih/ac。等。

Crosslight软件是一款功能强大的半导体器件模拟软件，它提供了全面的物理模型和先进的数

值算法，能够对AIGaN基深紫外半导体发光器件进行多物理场耦合模拟。在器件结构优化方

面，Crosslight软件可以精确模拟载流子的输运过程.诵过建立详细的载流干输运模型，考虑

电子和空穴的扩散、漂移以及复合等机制，结合AIGaN材料的电学参数，如载流子迁移率、

扩散系数等，软件能够准确计算载流子在器件内部的浓度分布和电流密度分布。在模拟过程

中，研究人员可以改变器件的结构参数，如电极结构、有源区厚度等，观察载流子输运特性的

变化，从而优化器件结构，提高载流子注入效率和复合效率。Crosslight软件还可以模拟光在

器件内部的传播和吸收过程。通过建立光传播模型，考虑光的发射、散射和吸收等因素，结

合AIGaN材料的光学参数，如折射率、吸收系数等，软件能够计算光在器件内部的光强分布

和光提取效率。通过模拟不同结构参数下的光传播特性，研究人员可以找到优化光提取效率

的方法，如设计特殊的光提取结构，减少光在器件内部的全反射和吸收损耗。

Silvac。软件也是半导体器件模拟领域广泛使用的工具。它包含了多个模块，如工艺模拟模块

ATHENA和器件模拟模块ATLAS,能够实现从材料生长工艺到器件性能的全流程模拟。在

工艺模拟方面，ATHENA模块可以模拟AIGaN材料的生长过程，如金属有机化学气相沉积

(MOCVD)工艺。通过设置生长参数，如温度、压力、气体流量等，软件可以预测材料的生

长速率、晶体质量和掺杂分布等。这对于优化材料生长工艺，提高AIGaN材料的质量和性能

具有重要意义。在器件模拟方面，ATLAS模块可以对AIGaN基深紫外半导体发光器件的电

学、光学和热学性能进行全面模拟。在电学性能模拟中，软件可以计算器件的l・V特性、电

容特性等，分析器件的电学性能与结构参数之间的关系。在光学性能模拟中，ATLAS模块可

以模拟光在器件内部的产生、传播和提取过程，计算光输出功率和外量子效率等性能指标。

在热学性能模拟中，软件可以分析器件在工作过程中的热分布和热应力，为优化散热结构提供

依据。通过Silvac。软件的模拟，研究人员可以在实验前对器件的性能进行预测和评估，提

前发现潜在的问题，并优化器件结构和工艺参数，减少实验次数和成本。

四、结构优化策略与方法

4.2实验研究与创新设计

4.2.1新型结构设计理念

为了突破传统结构的限制，提高AIGaN基深紫外半导体发光器件的性能，研究人员提出了多

种新型结构设计理念，其中V形立体p-n结注入结构和垂直注入结构具有独特的优势和应用

前景。

V形立体p-n结注入结构是一种创新的设计，其原理是通过在有源区引入V形结构，改变载

流子的注入和复合方式。在这种结构中，V形的p-n结界面增加了载流子的注入面积，使得

载流子能够更均匀地注入到有源区。由于V形结构的特殊几何形状，能够引导载流子在有源

区内形成更有效的复合路径，减少非辐射复合的发生，从而提高内量子效率。与传统平面结

构相比，V形立体p-n结注入结构的内量子效率可提高20%-30%。在一些研究中，通过数

值模拟和实验验证，发现V形结构能够有效地改善载流子的分布，使载流子在有源区为的复

合更加均匀，从而提高了器件的发光效率。这种结构还能够增加光的散射，改变光的传播方

向，提高光提取效率。由于V形结构的表面粗糙度增加，光在传播过程中会发生多次散射，

使得原本在器件内部因全反射而被限制的光有更多机会递出器件表面，从而提高了光提取效

率。

垂直注入结构也是一种备受关注的新型结构设计理念。在垂直注入结构中，电流垂直于衬底

方向流动，从n型电极注入经过有源区后从p型电极流出。这种结构的优势在于能够有效

解决传统平面结构中电流横向传输导致的载流子注入不均匀问题。由于电流垂直流动，载流

子能够更均匀地分布在有源区，提高了载流子的复合效率。在垂直注入结构的深紫外发光二

极管中，通过优化电极设计和材料结构，可以使电流在整个有源区均匀分布，减少电流拥挤现

象，提高器件的发光效率。垂直注入结构还能够提高光提取效率。在垂直结构中，可以通过

去除对深紫外光有吸收的衬底和缓冲层，减少光在传输过程中的损耗。同时，垂直结构有利

于实现光的垂直出射，减少了光在器件内部的全反射，提高了光提取效率。例如，通过激光

剥离蓝宝石衬底等技术，制备出垂直注入结构的深紫外发光器件，实验结果表明，与传统平面

结构相比，光提取效率得到了显著提升。

4.2.2制备工艺改进与优化

制备工艺的改进与优化是提高AIGaN基深紫外半导体发光器件性能的关键环节，其中金属有

机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）等技术在材料生长和器件制备过程中起着

至关重要的作用。

MOCVD是目前制备AIGaN材料的主流技术之一，其原理是在高温和低压的反应环境中，以

m族元素有机化合物和V族元素氢化物为源材料，通过热分解反应在衬底表面进行外延生

长。在MOCVD生长过程中，通过精确控制反应温度、压力、气体流量等参数，可以实现对

AIGaN材料的晶体质量、掺杂浓度和组分的精确调控。在生长高质量的AIGaN外延层时，需

要将反应温度控制在1000-1200℃之间，压力控制在50-100Torr,通过调整m族元素启

机化合物和V族元素氧化物的流量比例，可以精确控制AIGaN材料中AI和Ga的组分，从

而实现对材料禁带宽度的调控。通过优化MOCVD工艺参数，可以提高AIGaN材料的晶体

质量，减少位错和缺陷的产生，从而提高器件的内量子效率。采用低温缓冲层生长技术，在

生长AIGaN外延层之前，先在衬底上生长一层低温AIN缓冲层，可以有效缓解晶格失配应

力,提高AIGaN外延层的晶体质量。研究表明，经过优化工艺生长的AIGaN外延层，其位

错密度可降低一个数量级以上，内量子效率提高10%-23%。

分子束外延（MBE）是另一种重要的材料生长技术，它在超高真空环境下，以高温蒸发的方

式将源材料裂解为气体分子，产生分子束流，分子束流在衬底表面经吸附、分解、迁移、成

核、生长等过程使原子进入晶格位置完成外延生长。MBE技术具有原子级别的精确控制能

力，可以实现原子级的表面平整度且界面陡峭的超薄层沉积，以及合金组分或掺杂原子纵向浓

度梯度可调等。在制备AIGaN基深紫外半导体发光器件时，MBE技术可以精确控制量子阱

和量子垒的厚度，实现对载流子的有效限制和复合。通过MBE技术制备的量子阱结构，其厚

度精度可以控制在0.1nm以内，能够有效增强量子限制效应，提高载流子的复合效率。MBE

技术还可以在生长过程中实时监测和调控材料的生长情况，通过反射式高能电子束衍射等原位

分析设备，可以实时反应薄膜结晶质量、生长模式等信息，以便及时调控生长条件，从而增强

TMBE外延生长的可控性0

五、结构优化案例分析

5.1案例一：V形立体p-n结注入结构

5.1.1结构设计与原理

北京大学取得的一项名为“一种AIGaN基深紫外发光二极管器件结构及其制备方法”的专利，

其发明的AIGaN基深紫外发光二极管器件具有创新的V形立体p-n结注入结构。该结构的

设计基于对AIGaN基深紫外LED中载流子注入问题的深入研究。在传统的（0001）面蓝宝石

衬底上生长的AIGaN基深紫外LED中，空穴只能沿着［000-1］方向注入，这种单一的注入

方向，加上空穴迁移能力不足，导致注入效率低下，且多量子阱中的空穴分布不均匀。

V形立体p-n结注入结构的构建过程如下：首先，利用AIGaN材料体系中位错具有刻蚀选择

性很强的特点，在AIGaN基量子阱部分制造V形腐蚀坑.具体来说，通过控制腐蚀温度在

300-500℃（优选为350-450℃）,腐蚀时间在1-15min（优选为2-6min）,可以精确

控制V形腐蚀坑的密度和尺寸，使其与AlxGal-xN/AlyGa1-yN量子阱的周期数和总厚度相

匹配。然后，在V形腐蚀坑的侧壁的半极性面上进一步生长AIGaN电子阻挡层（EBL）、p

-AIGaN和p-GaN接触层，从而形成V形立体p-n结注入结构。

该结构改变了空穴的注入方向，实现了载流子的侧壁注入。相对于（0001）面，V形腐蚀坑的

半极性侧壁的极化电荷密度大幅度降低，这使得空穴注入势垒高度有效降低。根据半导体物

理中的载流子输运理论，势垒高度的降低有利于载流子的注入，从而显著提高了载流子注入效

率。基于V形腐蚀坑结构，载流子可以横向注入到各个量子阱中，保证了注入空穴在白源区

域的均匀分布。在传统结构中，空穴主要沿着一个方向注入，容易导致靠近注入端的量子阱

中空穴浓度过高，而远离注入端的量子阱中空穴浓度不足。而在V形立体p-n结注入结构

中，空穴可以从多个方向横向注入到量子阱中，使得空穴在有源区内的分布更加均匀，为实现

高效的辐射复合提供了有利条件。

5.1.2性能提升效果

V形立体p-n结注入结构在提升AIGaN基深紫外半导体发光器件性能方面取得了显著效果，

尤其在光输出功率提升和解决Droop效应方面表现突出。

从光输出功率来看，该结构通过提高载流子注入效率和改善空穴分布均匀性，显著提升了器件

的光输出功率。在传统的深紫外LED结构中，由于空穴注入效率低且分布不均匀，导致有源

区中载流子复合效率低下，光输出功率受限。而V形立体p-n结注入结构有效解决了这些

问题。通过侧壁注入，空穴能够更均匀地分布在量子阱中，增加了载流子的复合几率，从而提

高了光输出功率。实验数据表明，采用该结构的深紫外LED器件，在相同的注入电流下，光

输出功率相比传统结构有大幅提升。在某一注入电流下，传统结构的光输出功率为P1,而采

用V形立体p-n结注入结构的器件光输出功率达到了P2,P2约为P1的1.5-2倍，这充

分展示了该结构在提高光输出功率方面的优势。

在解决Droop效应方面，V形立体p-n结注入结构也发挥了重要作用。Droop效应是指在

大电流注入下，LED的发光效率会出现明显下降的现象，这主要是由于俄歇复合和载流子泄

露效应导致的。在传统结构中，大电流注入下，不均匀的空穴分布使得大量电子来不及在量

子阱中复合，而是泄露到P型层中，同时俄歇复合现象加剧，导致载流子注入效率降低，进

而引发Droop效应。而在V形立体p-n结注入结构中，由于载流子能够均匀地横向注入到

各个量了阱中，在大电流注入下，空穴分布更加均匀，减少了电子泄露和俄歇复合的发生。

实验结果显示，在大电流注入条件下，采用V形立体p-n结注入结构的器件，其Droop效

应明显减弱。在相同的大电流注入下，传统结构的器件外量子效率下降幅度为AEQE1,而采

用V形立体p-n结注入结构的器件外量子效率下降幅度为AEQE2,AEQE2远小于

△EQE1,表明该结构能够有效抑制Droop效应，提高器件在大电流下的性能稳定性。

5.2案例二：垂直结构器件制备

5.2.1技术路线与创新点

北京大学宽禁带半导体研究中心许福军、沈波团队针对III族氮化物深紫外发光二极管（DUV

-LED）光提取效率低下的难题，创新发展了一种基于GaN/蓝宝石模板的新技术路线。该技

术路线的核心在于通过极高AI组分AIGaN层预置裂纹，实现器件结构层与GaN层的应力解

耦。在传统的基于AIN/蓝宝石模板的深紫外LED制备路线中，若要进行激光剥离蓝宝石衬

底，需要极短波长（低于210nm）、极大功率的激光器。这是因为AIN与蓝宝石之间的结合

力较强，需要高能量的激光才能实现剥离。在激光剥离过程中，AIN会分解产生固态AI金属

滴，这些金属滴会造成极大的局部应力，导致外延薄膜龟裂。而该团队提出的基于GaN/蓝

宝石模板的技术路线，巧妙地利用了Ga金属滴在激光剥离过程中为液态的优点。通过在器

件结构中引入极高AI组分AIGaN层，并在该层中预置裂纹，当进行激光剥离时，这些裂纹能

够有效缓冲剥离过程中的局部应力，实现了器件结构层与GaN层的应力解耦。这一创新点使

得在使用常规的355nm短波长激光器的情况下，就能够实现深紫外LED外延结构2・4英寸

晶圆级无损伤剥离。通过这种方法，成功制备出垂直注入器件，为提高光提取效率奠定了基

础O

5.2.2光提取效率提升

该技术路线对提升光提取效率具有显著作用。在传统的深紫外LED结构中，由于器件内部存

在多界面全反射，大部分深紫外光被限制在器件内部，无法有效提取，导致光提取效率低

下。而通过该团队提出的技术路线制备的垂直结构器件，能够有效改善这一状况。在垂直结

构中，去除了对深紫外光有吸收的蓝宝石衬底，减少了光在传输过程中的损耗。垂直结构有

利于实现光的垂直出射，减少了光在器件内部的全反射，使得更多的光能够以合适的角度逸出

器件表面。实验数据表明，在200mA注入电流下，发光波长280nm的深紫外LED光输出

功率达65.2mW。与传统结构的深紫外LED相比，采用该技术路线制备的垂直结构器件的光

提取效率得到了显著提升。在相同的注入电流和工作条件下，传统结构器件的光提取效率为

H1,而垂直结构器件的光提投效率达到了n2,n2约为m的2-3倍，这充分证明了该技术

路线在提高光提取效率方面的有效性。

5.3案例三：MIS型n电极结构

5.3.1电极结构与工作机制

MIS型n电极结构在AIGaN基深紫外半导体发光器件中展现出独特的优势，其结构通常由金

属层、绝缘层和半导体层组成，形成金属-绝缘层-半导体（MIS）的结构形式。在这种结构

中，绝缘层一般采用Si。？等材料，其具有较小的介电常数。当MIS型n电极结构应用于

AIGaN基深紫外半导体发光器件时，其工作机制基于能带调节和表面耗尽效应的削弱。

从能带结构角度来看，在传统的n电极结构中，由于半导体和金属材料之间的亲和势差，半

导体中会产生表面耗尽效应。金属与半导体接触界面存在一个较高的肖特基势垒，以AIGaN

基深紫外LED为例，这个肖特基势垒可高达772meV,如此高的势垒严重阻碍了电子的注

入。而在MIS型n电极结构中，绝缘层形成的倾斜的能带可以调节金属和半导体之间的亲和

势差，从而屏蔽金属和半导体界面处的肖特基势垒。电子可以通过高效的带内隧穿过程注入

到器件中。在MIS型n电极结构中，由于绝缘层的存在，其能带结构发生了改变，使得电子

能够更顺利地从金属电极注入到半导体中。这种能带的调节作用是MIS型n电极结构提高电

子注入效率的关键机制之一。

MIS结构中的绝缘层还会承田部分压降，从而削弱半导体的表面耗尽效应。在传统的n电极

结构中，当深紫外LED处于正偏状态时，n电极金属/n-AIGaN处于反偏，随着外加电压增

加，n电极的表面耗尽效应加剧，阻碍了电子注入。而在MIS型n电极结构中，Si。？绝缘层

凭借其较小的介电常数，可以提高隧穿区域的电场，增加电子的隧穿几率。绝缘层能够承担

更多电压，减小半导体表面的耗尽效应，促进电子的注入效率。当外加电压作用于MIS型n

电极结构时，绝缘层承担了一部分电压，使得半导体表面的电场强度降低，从而减少了表面耗

尽层的厚度，有利于电子的注入。

5.3.2对器件性能的影响

MIS型n电极结构对AIGaN基深紫外半导体发光器件的性能有着多方面的积极影响，在降低

接触电阻、提高电光转换效率和减少热衰退现象等方面表现突出。

从降低接触电阻方面来看，用比于传统深紫外LED,具有MIS型n电极结构的深紫外LED

拥有更小的工作电压。工作电压的降低意味着n电极的接触电阻更小，电子注入能力更强。

在传统的n电极结构中，较大的接触电阻会阻碍电子的注入，导致器件的性能受到限制。而

MIS型n电极结构通过调节能带结构和削弱表面耗尽效应，为电子注入提供了更顺畅的通

道，有效降低了接触电阻。实验数据表明，采用MIS型n电极结构的器件，其n电极接触电

阻相较于传统结构可降低3C%・50%,这使得电子能够更高效地注入到有源区，为提高器件

的发光效率奠定了基础。

MIS型n电极结构能够显著提高器件的电光转换效率。n电极区域电子注入能力的提升可以

有效地提高有源区内捕获的电子浓度，进而提高辐射复合率。辐射复合率的提高意味着更多

的电能能够转化为光能，从而提高了器件的电光转换效率。具有MIS型n电极结构的深紫外

LED具有更高的外量子效率(EQE)和光输出功率。在相同的注入电流下，采用MIS型n

电极结构的器件，其外量子效率相较于传统结构可提高20%-30%,光输出功率也有明显提

升，这充分证明了MIS型n电极结构在提高电光转换效率方面的有效性。

MIS型n电极结构还能减少热衰退现象。在传统的深紫外LED中，n电极处产生的较大的接

触电阻不仅会降低电光转换效率，同时还会增加器件局部热效应，导致严重的热衰退

(thermaldroop)现象。而MIS型n电极结构通过降低接触电阻，减少了因电阻产生的热

量，从而有效地缓解了热衰退现象。实险结果显示，在长时间工作过程中，采用MIS型n电

极结构的器件，其光输出功率的衰退幅度明显小于传统结构的器件。在连续工作1000小时

后，传统结构器件的光输出力率衰退了30%,而采用MIS型n电极结构的器件光输出功率仅

衰退了10%-15%,这表明MIS型n电极结构能够提高器件的稳定性和可靠性，减少热衰退

对器件性能的影响。

六、优化效果评估与应用前景

6.1优化前后性能对比

6.1.1关键性能指标变化

通过对不同结构优化案例的分析，我们可以清晰地看到优化前后关键性能指标的显著变化。在

采用V形立体p-n结注入结构的案例中，光输出功率和外量子效率得到了大幅提升。在传统

结构中，由于空穴注入效率低且分布不均匀，导致有源区中载流子复合效率低下，光输出功率

受限。实验数据表明，在某一注入电流下，传统结构的光输出功率为P1,而采用V形立体p

・n结注入结构的器件光输出功率达到了P2,P2约为P1的1.5・2倍。外量子效率方面，传

统结构的外量子效率为EQE1,而优化后的结构外量子效率提升至EQE2,EQE2相较于

EQE1提高了30%-50%。这是因为V形结构通过改变空穴注入方向，实现了载流子的侧壁

注入，降低了空穴注入势垒高度，提高了载流子注入效率，同时保证了注入空穴在有源区域的

均匀分布，增加了载流子的复合几率，从而显著提升了光输出功率和外量子效率。

在垂直结构器件制备的案例中，光提取效率的提升尤为明显。在传统的深紫外LED结构中，

由于器件内部存在多界面全反射，大部分深紫外光被限制在器件内部，无法有效提取，导致光

提取效率低下。而通过基于GaN/蓝宝石模板的新技术路线制备的垂直结构器件，去除了对

深紫外光有吸收的蓝宝石衬底，减少了光在传输过程中的损耗，同时有利于实现光的垂直出

射，减少了光在器件内部的全反射。实险数据表明，在200mA注入电流下，发光波长

280nm的深紫外LED光输出功率达65.2mW。与传统结构的深紫外LED相比，采用该技术

路线制备的垂直结构器件的光提取效率得到了显著提升。在相同的注入电流和工作条件下，传

统结构器件的光提取效率为ni,而垂直结构器件的光提取效率达到了n2,n2约为m的2-

3倍。

对于MIS型n电极结构的案例，其对器件性能的提升主要体现在降低接触电阻和提高电光转

换效率方面。相比于传统深紫外LED,具有MIS型n电极结构的深紫外LED拥有更小的工

作电压，这意味着n电极的接触电阻更小，电子注入能力更强。实验数据表明，采用MIS型

n电极结构的器件，其n电极接触电阻相较于传统结构可降低30%・50%。由于n电极区域

电子注入能力的提升，有源区内捕获的电子浓度提高，进而提高了辐射复合率，使得器件的电

光转换效率得到显著提高。在相同的注入电流下，采用MIS型n电极结构的器件，其外量子

效率相较于传统结构可提高20%-30%,光输出功率也有明显提升。

6.1.2性能提升的稳定性与可靠性

优化后的器件不仅在性能指标上有显著提升，其性能提升的稳定性和可靠性也得到了有效保

障，这对器件的长期应用具有重要意义。

从稳定性方面来看，以V形立体p-n结注入结构为例，其通过改善载流子注入和分布，有效

抑制了Droop效应。在大电流注入下，传统结构的器件由于载流子注入不均匀，容易出现

Droop效应，导致发光效率明显下降。而V形立体p-n结注入结构能够使载流子均匀地横

向注入到各个量子阱中，减少了电子泄露和俄歇复合的发生，从而在大电流注入条件下，其

Droop效应明显减弱。实验结果显示，在相同的大电流注入下，传统结构的器件外量子效率

下降幅度为AEQE1,而采用V形立体p-n结注入结构的器件外量子效率下降幅度为

△EQE2,AEQE2远小于AEQE1,表明该结构能够有效保持器件在不同电流注入条件下性能

的稳定性。

在可靠性方面，垂直结构器件通过改进制备工艺，提高了器件的可靠性。基于GaN/蓝宝石

模板的新技术路线，通过极高AI组分AIGaN层预置裂纹，实现了器件结构层与GaN层的应

力解耦，避免了在激光剥离过程中因应力集中导致的外延薄膜龟裂等问题。这使得垂直结构

器件在制备过程中减少了缺陷的产生，提高了器件的晶体质量，从而提高了器件的可靠性。

在长期使用过程中，垂直结沟器件能够保持较为稳定的性能，减少了因器件失效而需要更换的

频率，降低了使用成本。

MIS型n电极结构通过降低接触电阻，减少了因电阻产生的热量，从而有效地缓解了热衰退

现象。在传统的深紫外LED中，n电极处较大的接触电阻会增加器件局部热效应，导致严重

的热衰退现象，影响器件的可靠性。而MIS型n电极结构通过降低接触电阻，减少了热量的

产生，使得器件在长时间工作过程中，光输出功率的衰退幅度明显小于传统结构的器件。实

验结果表明，在连续工作1。00小时后，传统结构器件的光输出功率衰退了30%,而采用

MIS型n电极结构的器件光输出功率仅衰退了10%-15%,这充分证明了MIS型n电极结

构能够提高器件的可靠性，保障器件在长期应用中的性能稳定。

六、优化效果评估与应用前景

6.2应用领域拓展与潜力分析

6.2.1在生物医疗领域的应用

优化后的AIGaN基深紫外半导体发光器件在生物医疗领域展现出了广阔的应用前景，主要体

现在消毒杀菌和生物检测等方面。

在消毒杀菌方面，深紫外光能够破坏微生物的DNA或RNA结构，从而达到高效杀菌消毒的

目的。优化后的器件具有更高的光输出功率和外量子效率，能够在更短的时间内实现更彻底

的消毒效果。在医院的手术室、病房等环境中，使用优化后的深紫外发光器件进行消毒，可

以有效杀灭空气中和物体表面的细菌、病毒等微生物，降低交叉感染的风险o对于一些耐药

性细菌，如金黄色葡萄球菌、.大肠杆菌等，深紫外光也能发挥良好的杀菌作用。在一些研究

中，通过实验验证了