黄绿光InGaN/GaN量子阱的能带调控和发光特性

摘要

黄绿光LED通常要求生长高铟组分的InGaN有源层。由于InN和GaN之间存在较大的晶格失配，高铟组分InGaN材料通常存在晶体质量差，非辐射复合率高的缺点。此外，GaN和InGaN之间的大应力会产生强的内建电场，引起能带弯曲，电子和空穴波函数空间分离，大幅降低有效辐射复合率。
　　本文通过对GaN垒层的铟预处理和调控InGaN有源层的生长温度设计并外延了一种新型高铟InGaN/GaN量子阱结构，综合运用AFM、HR-TEM、HAADF-STEM、HR-XRD、XPS和PL等多种表征手段，结合APSYS仿真计算，从理论和实验两个方面研究了该新型高铟InGaN/GaN量子阱的晶体和界面质量、能带调控和发光机制。研究发现，与传统三角阱相比，新型InGaN/GaN量子阱的晶体质量得到改善，能带弯曲减弱，电子和空穴波函数空间交叠增加，空穴注入效率得到提升，有效辐射复合增强，而且内量子效率和效率下降(efficiencydroop)现象也得到改善。新型InGaN/GaN量子阱的双波长黄绿发光特性也为RGB白光的获得提供了一种新的途径。具体概括如下:
　　1)能带调控后的量子阱晶体质量得到改善。AFM、TEM、XRD和STEM表征显示量子阱的界面陡峭，晶体质量较高。XRD、XPS和STEM实验表明量子阱结构为:0.52 nm的In0.35Ga0.65N，1.56 nm的In0.35-0.22Ga0.65-0.78N，和1.56 nm的In0.22Ga0.78N。这种量子阱结构的获得表明通过调控InGaN有源层的生长参数可以有效地控制量子阱生长，实现新型的复杂量子阱结构。
　　2)与传统三角量子阱相比，新型InGaN/GaN量子阱的能带弯曲进一步减弱，电子和空穴波函数的空间交叠增加，由电子第二束缚能级参与带间跃迁增多。
　　3) PL显示新型InGaN/GaN量子阱的发光为双波长黄绿发光，可以为RGB白光的获得提供一种新的可能途径。
　　4)不同注入电流下的EL谱进一步显示随着注入电流的增加，新型InGaN/GaN量子阱的电子第二束缚能级与空穴第一束缚能级之间的跃迁逐渐增多，带间发光增强，从而导致了光谱的展宽和双波长黄绿发光的出现。此外，大电流注入条件下电子对激发态的填充以及能带弯曲的减弱可抑制电子的溢出和泄漏。
　　5) APSYS模拟结果表明，电子和空穴波函数交叠的增大、空穴注入的提升、有效辐射复合率的提高以及激发态参与带间跃迁几率的增加，使得量子阱的内量子效率和“efficiency droop”现象得到了明显改善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 半导体材料的发展历程及应用

1．3 GaN基材料的基本物理性质

1．3．1 晶体结构

1．3．2 电学性质

1．3．3 光学性质

1．3．4 能带结构和发光机制

1．3．5 LED外延结构

1．4．本文工作和论文架构

参考文献

第二章 GaN基材料的外延生长、表征及仿真

2．1 金属有机化学气相沉积(MOCVD)

2．2 GaN基材料表征

2．2．1 原子力显微镜

2．2．2 透射电子显微镜

2．2．3 扫描透射电子显微镜

2．2．4 X射线衍射

2．2．5 X射线光电子能谱

2．2．6 发光光谱

2．3 APSYS仿真

2．4 本章小结

参考文献

第三章 绿光LED存在的问题及其解决方案

3．1 绿光LED存在的问题

3．2 目前的解决方案

3．2．1 表面／界面改性

3．2．2 GaN垒层掺杂

3．2．3 三元化合物或者四元化合物垒层

3．2．4 非／半极性面上生长量子阱

3．2．5 能带工程

3．3 小结

参考文献

第四章 双波长黄绿光InGaN／GaN量子阱的设计、外延与发光

4．1 引言

4．2 新型InGaN／GaN量子阱和传统三角阱的外延生长

4．3 结果与讨论

4．3．1 新型InGaN／GaN量子阱的微观结构和组分

4．3．2 新型InGaN／GaN量子阱的发光特性和能带结构

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

附录 硕士期间发表和完成的论文

致谢