InGaN/GaN基纳米柱LED的制备及光学特性研究

摘要

GaN及其合金化合物（InGaN、AlGaN等）作为Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料的代表，由于Ⅲ族氮化物半导体材料属于直接带隙半导体并且拥有变化范围很大的带隙宽度，其带隙变化范围从InN的0.7eV到AlN的6.28eV，对应能量从近红外可覆盖到深紫外，再加上其良好的热稳定性和优良的电热力学性质，在发光、显示、探测、存储等领域得到广泛应用。特别是在光电器件方面，InGaN合金作为一个重要的发光材料，更是起到不可替代的作用。尽管InGaN/GaN多量子阱LED的特性和应用在过去取得了很大的进步与发展，但仍有许多问题有待解决，最重要的问题之一是InGaN/GaN多量子阱LED的发光效率仍然较低。
　　本论文首先采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在c面蓝宝石衬底之上生长InGaN/GaN多量子阱基LED。然后，使用自上而下的ICP刻蚀技术制备纳米柱LED阵列。利用PL、拉曼、SEM等方法以及Rsoft模拟等手段分析纳米柱结构对InGaN/GaN基LED光电特性和内部物理机制的影响。主要内容如下:
　　(1)研究对比了平板LED（即原位样品）与纳米柱LED阵列（即纳米柱样品）的发光强度和发光效率。通过对比我们发现，原位样品经过自上而下的物理刻蚀之后发光强度显著增强。纳米柱样品的PL光谱强度内较原位增强1.05-3.56倍。纳米柱样品应力释放导致QCSE变弱，电子和空穴的波函数交叠几率变大，提高了内量子效率。纳米柱LED大的比表面积和光导向作用使得光提取效率增大，通过Rsoft仿真实验可以定量分析验证。
　　(2)对原位样品与纳米柱样品的HRTEM图谱、SEM谱与Raman光谱进行分析。HRTEM图谱发现多量子阱层中富In形成量子点聚集并产生较强相分离，量子点和InGaN母体分别对应于PL光谱图中2.3eV和2.6eV的两个发光峰。SEM谱可以直观看到规则排列的纳米柱阵列结构。Raman光谱发现纳米柱结构的E2(H)声子模型往低频率方向蓝移，并由此证明了InGaN/GaN纳米柱LED的应力释放。
　　(3)研究了刻蚀前后样品中载流子局域效应的变化。通过研究原位样品和纳米柱样品温度依赖性和激发功率依赖性的PL光谱，发现较原位样品，纳米柱样品中载流子局域效应均有增强现象，应力释放增强载流子局域效应的内部物理机制如下:应力释放导致能带倾斜程度降低，量子阱内的载流子在不同量子点内发生转移和再分布，并增加了局域态能带的态密度，使得纳米柱样品的InGaN母体和富In量子点区域要比原位样品存在更强的局域效应。
　　(4)通过理论分析对比了原位样品与纳米柱样品的发光效率和辐射场变化。利用Rsoft仿真软件，使用FDTD算法对原位样品和纳米柱样品的光提取效率、电磁场分布、远场图分布等性质进行了计算仿真，并与实验数据整合分析比较，证明了纳米柱结构对提高发光效率的显著效果，为实验数据提供理论仿真支撑。

目录

声明

摘要

符号表

第一章 绪论

1．1 人类照明技术的发展史

1．2 LED的发展历史

1．3 LED发展遇到的问题

1．4 本论文的研究内容与主要安排

参考文献

第二章 Ⅲ族氮化物半导体的基本性质与原理

2．1 半导体载流子的基本复合过程

2．1．1 辐射复合

2．1．2 非辐射复合

2．2 GaN基半导体材料的基本结构与性质

2．3 GaN基LED的基本性质发光原理

2．3．1 GaN基LED的基本性质

2．3．2 GaN基LED的发光原理

参考文献

第三章 GaN基(纳米柱)LED的制备与表征方法

3．1 GaN基材料的一般生长方法

3．2 GaN基纳米柱LED制备方法

3．2．1 等离子体增强化学的气相沉积(PECVD)

3．2．2 电子束曝光(EBL)

3．2．3 电子束蒸镀(E-beam evaporation)

3．2．4 电感耦合离子体(ICP)刻蚀

3．3 GaN基材料的一般表征方法

3．3．1 扫描电子显微镜(SEM)

3．3．2 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)

3．3．3 拉曼(Raman)光谱

3．4 本研究所用样品的制备

3．4．1 原位样品制备

3．4．2 纳米柱LED样品制备

3．4．3 实验测量

参考文献

第四章 InGaN／GaN多量子阱基纳米柱LED实验分析

4．1 样品表征分析

4．1．1 HRTEM表征分析

4．1．2 SEM表征分析

4．1．3 Raman光谱分析

4．2 光学特性分析

4．2．1 PL光谱分析

4．2．1 PL峰位分析

4．2．1 能带结构分析

4．2．1 样品的外量子效率分析

4．3 本章小结

参考文献

第五章 InGaN／GaN多量子阱基纳米柱LED仿真分析

5．1 数值分析方法概述

5．1．1 Rsoft-Fullwave概述

5．1．2 FDTD算法

5．1．3 发光效率

5．1．4 Rsoft-Fullwave模型参数

5．2 Rsoft-Fullwave仿真

5．2．2 Rsoft-Fullwave仿真分析

5．3 本章小结

参考文献

6．1 工作总结

6．2 工作展望

致谢

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