表面-界面改性改善GaN初始成島和InGaN有源層外延.pdf

1、通常高銦InGaN材料的晶體質(zhì)量差，非輻射復(fù)合率高。此外，由于InN和GaN之間有較大的晶格失配，在GaN極性面上生長InGaN有源層時(shí)引起的應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的內(nèi)建極化場，導(dǎo)致有源層內(nèi)電子-空穴空間分離，大幅降低輻射復(fù)合率。并且InGaN有源層的銦組分越高，極化場的負(fù)面影響越嚴(yán)重。針對有源層晶體質(zhì)量和極化場的問題，我們采用表面/界面改性手段改善InGaN有源層的晶體質(zhì)量，削弱有源層的極化場，提高其內(nèi)量子效率。本文工作簡要概括如下:
　

2、　1)在半極性/非極性面上外延InGaN有源層可降低/消除極化場對發(fā)光的負(fù)面影響。本工作通過微摻硅改善GaN初始成島，形成具有較大光滑斜面（半極性面）的GaN準(zhǔn)錐狀島。由于GaN的初始成島通常具有較小的島間合并幾率，因島間合并產(chǎn)生的位錯(cuò)得到抑制，島的晶體質(zhì)量較高。在該模板上外延InGaN有源層，研究InGaN材料在島上的生長行為和發(fā)光特性?？臻g分辨的掃描電子顯微鏡-陰極熒光圖像顯示，島上發(fā)光較強(qiáng)，而非島區(qū)則發(fā)光很弱，說明InGaN材料傾

3、向于在島上生長而幾乎不在SiNx處理的非島區(qū)生長。陰極熒光全光圖像顯示島的頂部發(fā)光強(qiáng)，這歸因于島頂端富銦量子點(diǎn)對載流子的局域作用。同時(shí)，掃描透射電鏡也證實(shí)GaN島頂部有量子點(diǎn)的存在。光致發(fā)光譜顯示島上有源層為多色發(fā)光，并發(fā)現(xiàn)423nm、456nm和485nm分別來自于斜面、較窄上表面（極性面）和富銦量子點(diǎn)的發(fā)光。表面改性后，GaN島的斜面總面積較大，且半極性面所受的壓電極化場作用較弱，因此斜面發(fā)光較強(qiáng)。此外，通過形成量子點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力彈性

4、釋放或再分布并抑制缺陷的產(chǎn)生，降低非輻射復(fù)合率;且量子點(diǎn)對載流子具有良好的局域作用，可有效增強(qiáng)輻射復(fù)合率。再者，GaN島上的有源層是多色發(fā)光，為實(shí)現(xiàn)單片無熒光粉的白光提供一條可能的途徑。
　　2)在GaN極性面上生長InGaN材料時(shí)，其內(nèi)建極化場會(huì)大幅降低InGaN有源層的內(nèi)量子效率。極化場的強(qiáng)弱是由量子阱結(jié)構(gòu)中阱壘界面處的極化電荷密度決定。通過界面改性降低界面處的極化電荷密度可降低極化場強(qiáng)度，提高量子阱發(fā)光效率。本工作利用Mg預(yù)

5、處理對GaN-to-InGaN界面進(jìn)行改性，Mg離化產(chǎn)生的空穴可將此界面處的部分壓電極化負(fù)電荷中和，降低界面極化電荷密度，削弱壓電極化場和量子限制斯塔克效應(yīng)。結(jié)合X射線光電子譜和掃描透射電鏡表征發(fā)現(xiàn)Mg的界面改性會(huì)導(dǎo)致InGaN材料生長更快且阱中In組分分布更均勻，同時(shí)In的摻入效率降低;還發(fā)現(xiàn)阱中相分離、應(yīng)力弛豫和相關(guān)缺陷的產(chǎn)生得到明顯的抑制。由于Mg原子傾向于在位錯(cuò)坑附近聚集，抑制了InGaN在該區(qū)域的生長，在溝槽內(nèi)形成較薄的阱層。

6、而薄阱所形成的高表面勢壘可有效地阻止載流子遷移到位錯(cuò)中心位置進(jìn)行非輻射復(fù)合?？傊?，Mg預(yù)處理實(shí)現(xiàn)高銦InGaN有源層發(fā)光增強(qiáng)可歸因于:(1)Mg預(yù)處理減小了GaN-to-InGaN界面的極化電荷密度從而有效地削弱壓電極化場和抑制量子限制斯塔克效應(yīng)，提高了載流子在有源層內(nèi)的輻射復(fù)合率;(2)Mg預(yù)處理能抑制InGaN相分離和應(yīng)力弛豫現(xiàn)象，提高InGaN有源層材料的晶體質(zhì)量;(3)溝槽內(nèi)的薄阱所形成的高表面勢壘可限制載流子遷移到位錯(cuò)中心位置