Ⅲ族氮化物材料弱極性晶面量子阱的生長及其光電特性的研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物半導體材料具有許多優(yōu)良的性質(zhì)，其纖鋅礦結(jié)構(gòu)晶體具有寬禁帶，直接帶隙，化學特性穩(wěn)定，耐高溫，質(zhì)地堅硬等特點。近十幾年對其的研究取得了矚目的成果，商業(yè)價值巨大。具體應(yīng)用包括顯示，照明，存儲，探測器，通訊，農(nóng)作物生長照明，醫(yī)療健康，以及電力電子器件等領(lǐng)域。盡管如此，Ⅲ族氮化物材料在發(fā)光器件應(yīng)用領(lǐng)域仍然面臨許多需要解決的問題，例如:電極化效應(yīng)，高缺陷密度，光提取效率低，droop效應(yīng)，Green Gap等。
　　為了改善上述問題

2、，科研人員提出了多種研究方案，其中采用弱極性量子阱結(jié)構(gòu)是比較有前景的研究方向之一。弱極性量子阱具有阱內(nèi)極化電場較小，發(fā)光效率高，適合制作長波段器件，droop效應(yīng)低等優(yōu)點。因此，弱極性晶面量子阱的相關(guān)研究逐漸受到重視，尤其是在光電特性以及阱內(nèi)動態(tài)復(fù)合機制方面的研究。在此背景下，本文圍繞如何改善Ⅲ族氮化物量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)光效率這一主題，首先研究了采用選區(qū)外延技術(shù)生長的{11(2)2}和{1(1)01}兩種弱極性晶面量子阱的光電特性和阱內(nèi)動態(tài)復(fù)

3、合機制的特點，其次提出在弱極性量子阱結(jié)構(gòu)中引入阱內(nèi)In組分漸變技術(shù)來進一步優(yōu)化其發(fā)光效率，并通過理論計算對阱內(nèi)In組分漸變的形式進行了優(yōu)化研究。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論摘要如下:
　　1.利用MOCVD外延設(shè)備并采取選區(qū)外延技術(shù)來生長立體形貌的{11(2)2}和{1(1)01}弱極性量子阱。根據(jù)變溫光致熒光(PL)實驗的測試結(jié)果得出:{1(1)01}弱極性量子阱LED結(jié)構(gòu)的室溫PL歸一化強度約為6.2％，比極性阱提高一倍多，也就是說

4、其相對內(nèi)量子效率比極性阱提高一倍多。此外，{11(2)2}弱極性阱結(jié)構(gòu)的室溫PL歸一化強度約為12％，表現(xiàn)出比{1(1)01}阱還要高的效率。變溫時間解析光致熒光測試和理論計算驗證了弱極性量子阱具有較高效率的結(jié)論。
　　2.根據(jù)對樣品變溫光致熒光測試和變溫時間解析光致熒光測試的結(jié)果，本文討論了弱極性量子阱的阱內(nèi)載流子的動態(tài)復(fù)合過程，解釋了弱極性量子阱光熒光光譜峰值隨著溫度增加并沒有出現(xiàn)明顯的類“S”型變化的原因，提出由于弱極性量子

5、阱阱內(nèi)極化電場的減弱，導致載流子與聲子耦合強度減弱，使得載流子hopping/tunneling等運動相對極性量子阱要弱。這表明弱極性量子阱的阱內(nèi)載流子有更大機率進行原位輻射復(fù)合，而載流子的再分布過程相對較弱。這一特性有助于降低載流子被缺陷捕獲的機率，提高弱極性量子阱的輻射復(fù)合效率。
　　3.本文提出了將In組分漸變技術(shù)引入到弱極性量子阱結(jié)構(gòu)中，來優(yōu)化弱極性量子阱的輻射復(fù)合效率。并采用k·p能帶理論，研究了不同的阱內(nèi)In組分漸變形

6、式對弱極性量子阱光電特性的影響。通過計算，獲得了導帶和價帶能帶結(jié)構(gòu)，阱內(nèi)波函數(shù)分布，并進而獲得波函數(shù)交疊積分，躍遷矩陣元，自發(fā)輻射譜，偏振率等參數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果討論得出:電子-空穴的波函數(shù)交疊積分和自發(fā)輻射譜（y'偏振）隨著阱內(nèi)In組分最大值和最小值差值的增加而增加，隨著阱內(nèi)In組分最大值沿著恒定組分弱極性量子阱阱內(nèi)極化電場相反的方向移動而增加。其中，在類拋物線漸變3nm量子阱中，當In組分最大值的相對位置為3/4，且In組分最小值為0

7、％的結(jié)構(gòu)電子-空穴波函數(shù)交疊積分達到了94.15％，這相對于組分恒定極性量子阱的30.37％和組分恒定的弱極性量子阱的83.74％都有了很大的提升。
　　4.根據(jù)k·p能帶理論計算結(jié)果，本文還進一步討論了In組分漸變?nèi)鯓O性量子阱的光偏振特性。得出In組分漸變?nèi)鯓O性量子阱的偏振比率ρy'x'髓著阱內(nèi)In組分最大值和最小值差值的增加而降低，隨著阱內(nèi)In組分最大值沿著恒定組分弱極性量子阱阱內(nèi)極化電場相反的方向移動而增加。其中，阱內(nèi)In組

8、分最大值的相對位置為3/4且In組分百分比最大值與最小值差值為5％的結(jié)構(gòu)偏振比率ρy'x'最大，達到了44.6％;而阱內(nèi)In組分最大值的相對位置為1/4且In組分最小值為0％的結(jié)構(gòu)偏振比率ρy'x'最小，數(shù)值為36％。
　　5.此外，對不同阱寬結(jié)構(gòu)的理論計算結(jié)果表明，隨著弱極性量子阱阱寬的增加，阱內(nèi)In組分漸變形式經(jīng)過優(yōu)化的弱極性量子阱的波函數(shù)交疊積分盡管會隨著阱寬的增加而降低，但是其降低的速率比阱內(nèi)In組分恒定的弱極性量子阱要慢