含V形坑的Si衬底GaN基蓝光LED发光性能研究

摘要

InGaN LED中位错密度达108-1010/cm2,却具有很高的发光效率。对此学术界有两种解释：一种认为载流子被限制在InGaN量子阱的富In局域态中，避免了非辐射复合；另一种认为，量子阱生长时在位错处形成V形坑，坑中侧壁量子阱的禁带宽度比平台量子阱大数百 meV，在位错周围对载流子形成势垒，避免载流子靠近位错而被捕获。这两种理论均能在一定程度上解释GaN基LED的发光行为。然而，局域态的解释提出多年，却未有对局域态实现调控的报道；相比之下，V形坑则具有更强的可控性。虽然文献提出V形坑的形成可抑制非辐射复合，但V形坑对器件光电性能影响的研究却并不透彻。在此背景下，本文在Si衬底上生长了GaN基蓝光LED外延材料，结构依次为：缓冲层、N型GaN层、准备层（含低温GaN层、超晶格层、电子注入层）、多量子阱、P-AlGaN、V形坑合并层和P-GaN接触层，选择V形坑作为主要研究对象，所做的工作以及取得的研究成果包括：
　　1.研究了Si衬底GaN中V形坑的产生和合并。（1）对V形坑的产生：实验表明在高温N层GaN后生长一层低温GaN可产生V形坑，且V形坑尺寸随该层厚度的增加而变大；同温同厚度时，In0.02Ga0.98N/GaN超晶格比单层低温GaN所形成的V形坑尺寸要小；AFM测得的V形坑密度，约为基于高分辨XRD摇摆曲线所计算的位错密度的一半。（2）对V形坑的合并：实验结果表明，升高生长温度、减慢生长速率以及H2气氛下有利于V形坑的合并。
　　2.发现并解释了 V形坑侧壁量子阱的电致发光（EL）现象。在含有 V形坑的器件结构中，设计了低温生长的AlGaN电子阻挡层（EBL）重掺Mg和不掺Mg的对比实验，对样品进行了二次离子质谱（SIMS）、透射电子显微镜（TEM）以及变温变电流EL测试。（1）侧壁量子阱EL的产生：EBL不掺Mg样品中的低温（≤150 K）EL光谱中在主峰的短波长侧出现一宽发光峰，峰形同已报道的侧壁量子阱的PL结果相符。根据TEM测试，低温AlGaN EBL在V形坑侧壁比c面薄。据此提出EBL不掺Mg增加了流经V形坑的空穴电流比例，将该发光峰归结为V形坑侧壁量子阱的EL峰。据作者所知，这是对侧壁量子阱EL的首次报道。（2）侧壁量子阱EL峰形的展宽：在小电流密度段侧壁量子阱EL峰形随着电流密度的增大逐渐向短波长展宽，当电流密度增大至一定值时达到稳定。针对这一现象，提出了器件的等效电路模型，结合文献报道的V形坑中侧壁量子阱禁带宽度不一致这一特性，提出载流子注入至禁带宽度更大的侧壁量子阱需要更高的正向电压，很好地解释了侧壁量子阱的EL行为。
　　3.发现了空穴从 V形坑侧壁注入至平台量子阱的实验证据。在含有 V形坑且EBL不掺Mg的样品100 K及以下的EL光谱中，当侧壁量子阱发光峰与主峰峰值强度比值上升至约0.3时，观察到主发光峰往短波方向出现明显展宽。提出EBL不掺Mg的器件在100 K以下EL时V形坑中电流比例极大，大量空穴从V形坑侧壁注入至边缘的平台量子阱中，致使V形坑边缘与远离V形坑的平台量子阱发光强度相当，两个区域的平台量子阱发光波长的差异（文献报道）导致主发光峰朝短波方向展宽。
　　4.研究了V形坑尺寸加大以及在P层引入非故意掺Mg的V形坑合并层对空穴输运的影响。（1）V形坑尺寸加大后，低温EL光谱中主峰的短波长侧除侧壁量子阱的发光峰外，还出现了准备层的超晶格中In0.02Ga0.98N的发光峰。提出V形坑尺寸加大后，空穴离位错的平均距离更远，在V形坑中相对电子有着更高的注入效率，以致溢出至N型层；（2）在P型层引入非故意掺Mg的V形坑合并层后，V形坑侧壁量子阱与平台量子阱EL的相对强度大幅下降，表明该层的引入大幅降低了器件工作时流经V形坑的电流比例。
　　此外，还研究了InGaN/GaN多量子阱LED不同位置的垒重掺Si对器件光电性能的影响，对相应器件进行了变温变电流测试。（1）在较为靠近P型层的垒重掺Si(2.2×1018/cm3)，可使生长条件相同的多量子阱出现双发光峰；提出垒中掺 Si，可使掺Si垒与P层之间的量子阱中的PN结内建电场较其余量子阱更强，进而更多屏蔽这些量子阱内的压电场，减弱量子限制斯塔克效应（QCSE），使能带更平，发光波长更短；（2）研究了不同位置垒掺Si的EL光谱，发现掺Si垒越靠近P层，EL时对掺Si垒与P层间的量子阱中压电场的屏蔽效应越明显；（3）研究了不同电流密度和温度的EL光谱，发现电流密度越大，温度越低，载流子越倾向于在靠近P层的量子阱内复合，与文献通过其他方法得到的结论一致。
　　以上结果部分已发表在Applied Physics Letters以及Journal of Applied Physics上。另有部分待发表。

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第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 国内外对V形坑的研究现状

1.3 国内外对量子阱内压电场的研究现状

1.4 本文工作安排

第2章 Si衬底GaN基LED的制备与表征

2.1 Si衬底GaN基LED的制备

2.2 Si衬底GaN基LED的表征

第3章 Si衬底GaN基LED中V形坑的产生与合并机理

3.1 Si衬底GaN基LED材料中V形坑的产生

3.2 Si衬底GaN基LED中V形坑的合并

3.3 结论

第4章 V形坑侧壁量子阱的EL研究

4.1 V形坑侧壁量子阱的EL

4.2 V形坑侧壁的空穴注入

4.3 V形坑中电流过大对器件老化可靠性的影响

4.4 结论

第5章 V形坑尺寸增大以及非故意掺Mg的V形坑合并层对空穴输运的影响研究

5.1 实验

5.2 V形坑侧壁量子阱发光现象重复性验证

5.3 空穴从V形坑中溢出

5.4 非故意掺Mg的V形坑合并层降低V形坑中电流比例

5.5 侧壁量子阱EL现象的启示

5.6 结论

第6章 不同位置垒掺Si对多量子阱LED器件光电性能的影响研究

6.1实验

6.2不同位置垒掺Si对器件发光峰位的影响

6.3 不同位置垒掺Si对器件PL的影响

6.4不同位置垒掺SI对了的正向电压与发光效率的影响

6.5 结论

总结和展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果