蓝光激光器结构中InGaN/GaN多量子阱界面效应的精细光致发光光谱研究

摘要

金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法制备InGaN/GaN多量子阱结构时,在GaN势垒层生长的N_(2)载气中引入适量H_(2),能够有效改善阱/垒界面质量从而提升发光效率。本工作利用光致发光(PL)光谱技术,对蓝光激光器结构中的InGaN/GaN多量子阱的发光性能进行了精细的光谱学测量与表征,研究了通H_(2)生长对量子阱界面的调控效应及其发光效率提升的物理机制。室温PL光谱结果显示,GaN势垒层生长载气中引入2.5%的H_(2)使InGaN/GaN多量子阱的发光效率提升了75%、发光峰的峰位蓝移了17 meV、半峰宽(FWHM)减小了10 meV。通过功率依赖的PL光谱特征分析,我们对InGaN/GaN量子阱中的量子限制Stark效应(QCSE)和能带填充(Band Filling)效应进行了清晰的辨析,发现了发光峰峰位和峰宽的光谱特征主要受QCSE效应影响,H_(2)的引入能够大幅度降低QCSE效应,并且确定了QCSE效应被完全屏蔽情况下的发光峰能量为2.75 eV。温度依赖的PL光谱数据揭示了通H_(2)生长量子阱结构中显著减弱的载流子局域化行为,显示界面质量提高有效降低了限制势垒的能量波动,从而导致更窄的发光峰半峰宽。PL光谱强度随温度的变化规律表明,通H_(2)生长并不改变量子阱界面处的非辐射复合中心的物理本质,却能够显著减少非辐射复合中心的密度,有助于提升量子阱的发光效率。通过时间分辨PL光谱分析,发现通H_(2)生长会导致量子阱结构中更短的载流子辐射复合寿命,但不影响非辐射复合寿命。载流子复合寿命的变化特征进一步确认了通H_(2)生长对量子阱结构中QCSE效应和非辐射复合中心的影响规律。综合所有PL光谱分析结果,我们发现通H_(2)生长能够提高InGaN/GaN多量子阱的界面质量、显著减弱应力效应(更弱的QCSE效应)、降低限制势垒的能量波动以及减少界面处非辐射复合中心的密度,从而显著提升量子阱的发光效率。该研究工作充分显示了PL光谱技术对半导体量子结构发光性能的精细表征能力,光谱分析结果能够为InGaN/GaN多量子阱生长提供有价值的参考。