局域态对InGaN/GaN多量子了阱结构光学特性的影响

摘要

以GaN为代表的Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料（包括AlN、GaN、InN及其合金），近年来获得了快速的发展。优良的光电性质，稳定的化学性质，使其可在高温、酸碱、辐射环境下使用。它们都是直接带隙材料且带隙跨越很大，可从InN的0.7eV到AlN的6.28eV，在蓝、绿光和紫外波段的光电子器件方面应用广泛。InGaN材料的研究和发展将为半导体照明的普及奠定基础。
　　 本文主要研究了InGaN/GaN多量子阱结构的光学特性。利用光致发光和电致发光的检测手段，观察和分析样品在不同测量条件下光学特性的变化，从而对样品发光机制及其内部的载流子输运机制进行分析。主要内容如下:
　　 1.通过光致发光功率依赖性的实验，观察和分析样品发光性质的变化，得知峰位随功率增加而蓝移的原因是极化电场的屏蔽和能级的填充;
　　 2.分析了由局域态引起的样品光谱峰位随温度升高而呈“S”形（红移-蓝移-红移）的变化，结合局域态的能带模型对载流子的输运机制进行了阐释;
　　 3.对比了两种不同生长速率的量子阱样品的光学特性，对这两种样品局域态的不同及其对光学特性影响的可能性原因进行了分析。
　　 4.样品在激发功率很低和温度较高的时候，其光致发光光谱的低能端有一发光带，该深能级发光与普遍见到的GaN黄光带不同。结合其出现的条件以及变化的趋势，我们认为它来自InGaN量子阱中的深局域态。而与之相应的浅局域态发光对应的是光谱的带边峰。
　　 5.对样品I-V曲线进行分析可知，GaN基蓝光LED电流的输运机制主要是载流子的隧穿，原因是材料中含有大量的界面能级，以及受量子限制斯塔克效应的影响，很容易形成载流子的隧穿。在低温下，I-V曲线由于受到高阻特性的支配，随着温度的降低，正向电压明显增大。
　　 6.样品在不同的激发电流下，其EL强度随温度的变化情况很不一样。小电流下，EL强度最大值出现在所测的最低温10K，随着温度升高，强度逐渐降低，这与光致发光相似。当增大激发电流后，如50mA时，EL强度随着温度的升高而增强，到130K达到最大，继续升高温度，强度逐渐减弱。结合I-V曲线，我们分析这种现象产生的原因是:在高激发电流和低温的情况下，正向偏压很大，载流子从阱中逃脱进入垒中，被非辐射复合中心俘获，同时高偏压下，量子限制斯塔克效应的增强也降低了辐射复合的效率。