InGaN-GaN基納米柱LED的制備及光學(xué)特性研究.pdf

1、GaN及其合金化合物（InGaN、AlGaN等）作為Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料的代表，由于Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體材料屬于直接帶隙半導(dǎo)體并且擁有變化范圍很大的帶隙寬度，其帶隙變化范圍從InN的0.7eV到AlN的6.28eV，對(duì)應(yīng)能量從近紅外可覆蓋到深紫外，再加上其良好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的電熱力學(xué)性質(zhì)，在發(fā)光、顯示、探測(cè)、存儲(chǔ)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。特別是在光電器件方面，InGaN合金作為一個(gè)重要的發(fā)光材料，更是起到不可替代的作用。盡管InGaN/Ga

2、N多量子阱LED的特性和應(yīng)用在過(guò)去取得了很大的進(jìn)步與發(fā)展，但仍有許多問(wèn)題有待解決，最重要的問(wèn)題之一是InGaN/GaN多量子阱LED的發(fā)光效率仍然較低。
　　本論文首先采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)法在c面藍(lán)寶石襯底之上生長(zhǎng)InGaN/GaN多量子阱基LED。然后，使用自上而下的ICP刻蝕技術(shù)制備納米柱LED陣列。利用PL、拉曼、SEM等方法以及Rsoft模擬等手段分析納米柱結(jié)構(gòu)對(duì)InGaN/GaN基LED光電特性和內(nèi)部物

3、理機(jī)制的影響。主要內(nèi)容如下:
　　(1)研究對(duì)比了平板LED（即原位樣品）與納米柱LED陣列（即納米柱樣品）的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光效率。通過(guò)對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)，原位樣品經(jīng)過(guò)自上而下的物理刻蝕之后發(fā)光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。納米柱樣品的PL光譜強(qiáng)度內(nèi)較原位增強(qiáng)1.05-3.56倍。納米柱樣品應(yīng)力釋放導(dǎo)致QCSE變?nèi)酰娮雍涂昭ǖ牟ê瘮?shù)交疊幾率變大，提高了內(nèi)量子效率。納米柱LED大的比表面積和光導(dǎo)向作用使得光提取效率增大，通過(guò)Rsoft仿真實(shí)驗(yàn)可以定量分析

4、驗(yàn)證。
　　(2)對(duì)原位樣品與納米柱樣品的HRTEM圖譜、SEM譜與Raman光譜進(jìn)行分析。HRTEM圖譜發(fā)現(xiàn)多量子阱層中富In形成量子點(diǎn)聚集并產(chǎn)生較強(qiáng)相分離，量子點(diǎn)和InGaN母體分別對(duì)應(yīng)于PL光譜圖中2.3eV和2.6eV的兩個(gè)發(fā)光峰。SEM譜可以直觀看到規(guī)則排列的納米柱陣列結(jié)構(gòu)。Raman光譜發(fā)現(xiàn)納米柱結(jié)構(gòu)的E2(H)聲子模型往低頻率方向藍(lán)移，并由此證明了InGaN/GaN納米柱LED的應(yīng)力釋放。
　　(3)研究了刻蝕

5、前后樣品中載流子局域效應(yīng)的變化。通過(guò)研究原位樣品和納米柱樣品溫度依賴性和激發(fā)功率依賴性的PL光譜，發(fā)現(xiàn)較原位樣品，納米柱樣品中載流子局域效應(yīng)均有增強(qiáng)現(xiàn)象，應(yīng)力釋放增強(qiáng)載流子局域效應(yīng)的內(nèi)部物理機(jī)制如下:應(yīng)力釋放導(dǎo)致能帶傾斜程度降低，量子阱內(nèi)的載流子在不同量子點(diǎn)內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移和再分布，并增加了局域態(tài)能帶的態(tài)密度，使得納米柱樣品的InGaN母體和富In量子點(diǎn)區(qū)域要比原位樣品存在更強(qiáng)的局域效應(yīng)。
　　(4)通過(guò)理論分析對(duì)比了原位樣品與納米柱樣