InGaN/GaN多量子阱发光特性的研究

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由于优异的电化学性质,GaN基材料在微电子领域和光电子领域得到了广泛的应用。GaN基材料是直接带隙半导体材料,相比于间接带隙半导体材料有更高的发光效率。而且通过调节GaN合金组分其禁带宽度可以从0.7 eV (InN)到6.28 eV (AlN)变化,覆盖了整个可见光范围。随着半导体工艺技术的不断进步发展,已经成功制备了蓝、绿、紫外光LED器件,而且蓝光LED已经成为世界各大公司研究的重点。但是GaN材料和蓝宝石衬底之间存在很大的晶格失配和热失配,在外延生长的时候晶体内会存在很高的位错、缺陷密度,这些位错和缺陷形成非辐射复合中心从而导致器件发光效率降低。InN和GaN互溶度很低而且饱和蒸汽压不同,所以在利用MOCVD生长InGaN/GaN多量子阱时,In组分在量子阱内分布不均匀容易形成富In区局域态。目前普遍接受的观点是由于这些局域态的存在限制了载流子向非辐射复合中心弛豫而提高了LED的发光效率,但是对InGaN/GaN多量子阱内载流子的动力学机制和发光机制等还没有完全认识清楚。本论文通过光致发光和电致发光等实验手段研究了InGaN/GaN多量子阱的温度和功率依赖性性,探究其发光特性,主要内容如下:1.光致发光的温度依赖性。在小激发功率下,随着温度增加峰位随温度出现了红移-蓝移-红移即“S型”变化,这是因为In组分不均匀形成的局域态效果。在大激发功率下,峰位和半高宽出现了不同,这是因为在大功率下局域态饱和,所以局域态高能级填充起主导作用。2.光致发光的功率依赖性。在低温下小功率范围内,主要是屏蔽斯塔克效应的过程,所以峰位蓝移半高宽减小。在大功率下,峰位蓝移半高宽增大的原因是载流子逐渐填充局域态高能级的过程。在室温下,非辐射复合中心被激活,所以在小功率下非辐射复合起主导作用导致峰位红移半高宽增大。3.电致发光特性。在低温和室温大电流下,外加电场对量子阱产生很大的影响,使能带倾斜加剧载流子容易泄露,因此出现了效率降低的现象。通过对变阻挡层厚度的研究,我们发现随着阻挡层厚度的增加量子阱发光峰位发生红移,这是因为GaN与A1N之间存在很大的晶格失配,所以量子阱内极化电场增加导致量子阱倾斜加剧。因此可以通过减少量子阱内缺陷密度,屏蔽阱内极化电场,增大电子和空穴辐射复合效率,优化量子阱的局域态效果等手段提高器件的发光效率。
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