InGaN-GaN多量子阱中載流子的輸運(yùn)及復(fù)合特性研究.pdf

1、GaN基半導(dǎo)體是寬禁帶、直接帶隙材料，具有優(yōu)異的光電特性和穩(wěn)定的化學(xué)性能，已被廣泛的應(yīng)用于發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)以及光電探測(cè)器等光電子器件。目前，GaN基藍(lán)光和綠光LED已經(jīng)在信號(hào)燈、大屏幕顯示、景觀照明等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大規(guī)模應(yīng)用，基于藍(lán)光LED的高亮度白光LED已成為繼白熾燈和熒光燈之后的第三代照明光源，GaN基藍(lán)紫光LD已被廣泛應(yīng)用于高密度光存儲(chǔ)、激光醫(yī)療以及科學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域。作為GaN基光電子器件的核心部分，InGaN

2、/GaN多量子阱有源區(qū)也因此成為了當(dāng)前半導(dǎo)體光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。圍繞InGaN/GaN多量子阱的材料生長(zhǎng)和物理特性研究，各國(guó)科研工作者進(jìn)行了大量的研究工作。目前，InGaN/GaN多量子阱的材料質(zhì)量和發(fā)光效率已經(jīng)得到了較大的提高，然而對(duì)于InGaN/GaN多量子阱物理特性的研究卻相對(duì)滯后，尤其是對(duì)于其高效發(fā)光的物理機(jī)制目前仍存在著極大的爭(zhēng)議。
　　為揭示InGaN/GaN多量子阱的發(fā)光機(jī)制，本文圍繞InGaN/GaN多量子阱的材

3、料生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)表征以及光學(xué)測(cè)量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并重點(diǎn)對(duì)InGaN/GaN多量子阱中載流子輸運(yùn)和復(fù)合這兩個(gè)關(guān)鍵物理過(guò)程進(jìn)行了分析。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.生長(zhǎng)了不同壘層結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN多量子阱材料，并利用高分辨率X射線衍射(XRD)和橫截面透射電子顯微鏡(TEM)技術(shù)對(duì)其微結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了表征。XRD測(cè)量結(jié)果顯示，樣品的衍射曲線可觀察到明顯的GaN的衍射主峰以及InGaN量子阱的多級(jí)衍射衛(wèi)星峰，表明量子阱具有陡

4、峭的界面以及周期性結(jié)構(gòu)。TEM照片結(jié)果顯示，InGaN/GaN多量子阱區(qū)域的阱和壘之間界面清晰，并且整個(gè)量子阱區(qū)域周期性良好。
　　2.利用變溫光致發(fā)光技術(shù)對(duì)不同壘層結(jié)構(gòu)的InGaN/GaN多量子阱樣品進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示，樣品發(fā)光峰位隨溫度升高呈S型變化趨勢(shì)，并且隨著壘厚的增加，S型變化中由藍(lán)移到紅移的拐點(diǎn)溫度逐漸升高。這些結(jié)果表明，InGaN/GaN多量子阱中存在著大量不同組分In團(tuán)簇形成的局域態(tài)，且隨著壘厚的增加，量子阱中富

5、In團(tuán)簇形成的局域勢(shì)阱逐漸變深。
　　3.對(duì)不同壘厚的InGaN/GaN多量子阱樣品的變溫光致發(fā)光特性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，隨著溫度升高，三個(gè)樣品的光致發(fā)光均發(fā)生熱淬滅效應(yīng)。這種熱淬滅主要由兩種非輻射復(fù)合過(guò)程造成的:第一種是由于深局域的載流子被激發(fā)到局域勢(shì)阱以外造成的，第二種則與淺局域的載流子熱激發(fā)有關(guān)。Arrhenius擬合結(jié)果表明，隨著壘厚的增加，量子阱中的富In團(tuán)簇形成的局域勢(shì)阱變深。其根本原因是壘的生長(zhǎng)過(guò)程中阱中富In團(tuán)簇

6、的重新分布，即低In組分的團(tuán)簇隨著壘的生長(zhǎng)可能凝聚成了高In組分的團(tuán)簇。
　　4.優(yōu)化了ITO的生長(zhǎng)工藝參數(shù)，得到了低阻、高透光率ITO電流擴(kuò)展層，制作了電致發(fā)光(EL)器件。對(duì)不同壘厚InGaN/GaN多量子阱樣品的電致發(fā)光特性進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量。結(jié)果顯示，相同注入條件下，壘薄的樣品EL強(qiáng)度更大。這是由于壘薄樣品的量子阱之間有較強(qiáng)的耦合效應(yīng)，空穴在量子阱中隧穿的幾率大大增加，載流子在整個(gè)有源區(qū)中分布更加均勻，由載流子分布不均引起的電

7、子泄漏大幅度降低所致。此外，壘薄的樣品相比于壘厚的樣品InGaN阱層中的位錯(cuò)密度低，在相同的注入電流情況下，壘薄的樣品可以限制住更多的載流子不被非輻射復(fù)合中心捕獲，進(jìn)而提高了載流子的輻射復(fù)合效率。
　　5.綜合PL和EL測(cè)量結(jié)果，對(duì)InGaN/GaN多量子阱中載流子輸運(yùn)以及復(fù)合特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:(1)較薄的壘層可以改善載流子在量子阱中的輸運(yùn)，使量子阱之間具有較均勻的載流子分布，這對(duì)于在大電流密度下工作的器件是非常有利的。(