InGaN-GaN多量子阱中載流子的輸運及復合特性研究.pdf

1、GaN基半導體是寬禁帶、直接帶隙材料，具有優(yōu)異的光電特性和穩(wěn)定的化學性能，已被廣泛的應用于發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)以及光電探測器等光電子器件。目前，GaN基藍光和綠光LED已經(jīng)在信號燈、大屏幕顯示、景觀照明等領域實現(xiàn)了大規(guī)模應用，基于藍光LED的高亮度白光LED已成為繼白熾燈和熒光燈之后的第三代照明光源，GaN基藍紫光LD已被廣泛應用于高密度光存儲、激光醫(yī)療以及科學測量等領域。作為GaN基光電子器件的核心部分，InGaN

2、/GaN多量子阱有源區(qū)也因此成為了當前半導體光電子領域的研究熱點。圍繞InGaN/GaN多量子阱的材料生長和物理特性研究，各國科研工作者進行了大量的研究工作。目前，InGaN/GaN多量子阱的材料質量和發(fā)光效率已經(jīng)得到了較大的提高，然而對于InGaN/GaN多量子阱物理特性的研究卻相對滯后，尤其是對于其高效發(fā)光的物理機制目前仍存在著極大的爭議。
　　為揭示InGaN/GaN多量子阱的發(fā)光機制，本文圍繞InGaN/GaN多量子阱的材

3、料生長、結構表征以及光學測量進行了系統(tǒng)的研究，并重點對InGaN/GaN多量子阱中載流子輸運和復合這兩個關鍵物理過程進行了分析。本文的主要研究內(nèi)容和結果如下:
　　1.生長了不同壘層結構的InGaN/GaN多量子阱材料，并利用高分辨率X射線衍射(XRD)和橫截面透射電子顯微鏡(TEM)技術對其微結構特性進行了表征。XRD測量結果顯示，樣品的衍射曲線可觀察到明顯的GaN的衍射主峰以及InGaN量子阱的多級衍射衛(wèi)星峰，表明量子阱具有陡

4、峭的界面以及周期性結構。TEM照片結果顯示，InGaN/GaN多量子阱區(qū)域的阱和壘之間界面清晰，并且整個量子阱區(qū)域周期性良好。
　　2.利用變溫光致發(fā)光技術對不同壘層結構的InGaN/GaN多量子阱樣品進行了測量，結果顯示，樣品發(fā)光峰位隨溫度升高呈S型變化趨勢，并且隨著壘厚的增加，S型變化中由藍移到紅移的拐點溫度逐漸升高。這些結果表明，InGaN/GaN多量子阱中存在著大量不同組分In團簇形成的局域態(tài)，且隨著壘厚的增加，量子阱中富

5、In團簇形成的局域勢阱逐漸變深。
　　3.對不同壘厚的InGaN/GaN多量子阱樣品的變溫光致發(fā)光特性進行了研究，結果顯示，隨著溫度升高，三個樣品的光致發(fā)光均發(fā)生熱淬滅效應。這種熱淬滅主要由兩種非輻射復合過程造成的:第一種是由于深局域的載流子被激發(fā)到局域勢阱以外造成的，第二種則與淺局域的載流子熱激發(fā)有關。Arrhenius擬合結果表明，隨著壘厚的增加，量子阱中的富In團簇形成的局域勢阱變深。其根本原因是壘的生長過程中阱中富In團簇

6、的重新分布，即低In組分的團簇隨著壘的生長可能凝聚成了高In組分的團簇。
　　4.優(yōu)化了ITO的生長工藝參數(shù)，得到了低阻、高透光率ITO電流擴展層，制作了電致發(fā)光(EL)器件。對不同壘厚InGaN/GaN多量子阱樣品的電致發(fā)光特性進行了詳細測量。結果顯示，相同注入條件下，壘薄的樣品EL強度更大。這是由于壘薄樣品的量子阱之間有較強的耦合效應，空穴在量子阱中隧穿的幾率大大增加，載流子在整個有源區(qū)中分布更加均勻，由載流子分布不均引起的電

7、子泄漏大幅度降低所致。此外，壘薄的樣品相比于壘厚的樣品InGaN阱層中的位錯密度低，在相同的注入電流情況下，壘薄的樣品可以限制住更多的載流子不被非輻射復合中心捕獲，進而提高了載流子的輻射復合效率。
　　5.綜合PL和EL測量結果，對InGaN/GaN多量子阱中載流子輸運以及復合特性進行了分析。結果表明:(1)較薄的壘層可以改善載流子在量子阱中的輸運，使量子阱之間具有較均勻的載流子分布，這對于在大電流密度下工作的器件是非常有利的。(