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InGaN/GaN低维量子阱结构的制备及其发光性质研究

杨国锋  
【摘要】:GaN基半导体器件的商业化使得当前对III族氮化物的研究发展迅猛。由于III族氮化物带隙可以从0.7eV到6.2eV连续变化,所对应的波长覆盖了从近红外到紫外极为宽广的光谱范围,并且拥有优良的物理、化学性质, GaN基半导体材料已成为发展半导体光电子器件的优选材料。而今III族氮化物的研究和应用正朝着更加精细化的方向的发展,GaN基LED的研究也达到了前所未有的高度。传统的普通材料和器件结构已经很难符合商业化的要求,因而GaN基LED的发展正趋向于低维化和无极性的新颖思路。创新的低维结构,极化效应的降低会给GaN基光电器件带来更加优异的物理特性和巨大的潜在应用。 本论文围绕LED的核心结构低维InGaN/GaN量子阱展开研究。探索了InGaN/GaN单量子阱生长过程中直接形成InGaN量子点的生长规律,获得了量子阱生长过程中形成量子点的生长温度窗口和性质;开展半极性面InGaN/GaN多量子阱的研究。传统的半极性和非极性面平面薄膜由于生长代价高,尺寸小,缺少合适的生长衬底,并且晶体质量较差,很难达到高的发光效率。因此我们利用横向外延技术生长半极性面生长InGaN/GaN多量子阱结构,这种技术可以有效降低量子阱的位错密度,易于制备不同的半极性面,并且获得了半极性面和极性面复合结构的量子阱发光;根据Si原子可以在GaN表面诱导形成InGaN量子点的原理,详细分析了SiO2预处理法形成InGaN量子点的规律和性质,并利用形成的InGaN量子点作为生长模板,通过应力传递作用获得了发光性能优异的InGaN量子点和量子阱复合多层堆垛结构。研究的主要内容和获得的主要结果如下: 1.通过改变InGaN的生长温度和发光测试表明正常700℃InG aN生长温度形成二维平面生长InGaN/GaN单量子阱结构;700℃以下的InGaN生长温度由于表面原子迁移速率降低形成InGaN量子点结构;实验表明过低的InGaN生长温度会使量子点质量和发光退化,形成量子阱和量子点的复合发光,690℃可以形成发光效率最高的InGaN量子点结构。 2.利用选择性横向外延技术生长半极性面GaN过程中,沿[1120]方向生长的GaN形貌不依赖于生长条件,在不同的生长温度和压强下始终形成光滑均匀的三角形剖面,斜面由{1101}半极性面组成。沿[1100]方向生长的GaN形貌依赖于生长温度和压强,不同的生长条件会形成不同的表面形貌,GaN微面主要由(0001)面,{1122}面和{1120}面组合而成。形成这些特定晶面的结果取决于表面能和表面原子的稳定性。 3.不同GaN半极性面生长的InGaN/GaN多量子阱,在[1120]方向形成的{1101}半极性面上发光均匀,表现出单色发光,发光峰在400nm左右。而[1100]方向的微面由半极性面{1122}和c面组成,具有双峰发光特性,局域CL测试表明半极性面上量子阱发光在390nm附近,c面量子阱发光峰在420nm左右。半极性面上量子阱相比于c面量子阱位错和缺陷显著减低,具有较稳定的发光均匀性。沿[1100]方向生长的InGaN/GaN多量子阱两个发光峰的不同性质表明c面量子阱发光相对于斜面量子阱发光发生红移主要是由于选择性横向外延生长过程中,111组分相比Ga较易从掩膜区域向窗口中心区域迁移,形成了中心c面量子阱中In组分的富集。另一原因是半极性面上InGaN/GaN多量子阱量子限制斯塔克效应相比于极性面会减弱,应变诱导极化计算模型比较了GaN极性面和半极性面上InGaN/GaN多量子阱的压电极化和总极化效应,证明了半极性面量子阱极化效应始终弱于极性面量子阱,从而造成半极性面上多量子阱量子限制斯塔克效应减弱,峰位蓝移。同时半极性面和极性面生长速率的差异使得半极性面InGaN阱层的厚度要低于c面阱层,也促使了半极性面量子阱的峰位蓝移。 4.通过Si在GaN表面的诱导作用,研究了Si02预处理法形成InGaN量子点结构,可以控制InGaN生长时间,实现高质量InGaN量子点尺寸可调控生长。PL测试表明InGaN量子点相比于InGaN薄膜具有较高效率的辐射复合发光。采用Si02预处理法生长的InGaN量子点结构作为模板,生长两个周期的InGaN/GaN结构,利用应力传递作用,获得发光效率优异的InGaN量子点多层堆垛结构。PL测试观察到量子点多层堆垛结构出现中出现量子阱和量子点的复合发光。能量较低的宽谱发光峰源于量子点局域态发光。变功率PL测试表明随着激发功率增大,量子点发光峰位发生显著蓝移同时半峰宽展宽。能量较高的发光峰源于量子阱能级发光。变功率PL测试表明随着激发功率增大这一发光峰峰位发生轻微蓝移,半峰宽逐渐收缩,这一结果与量子阱发光性质基本吻合。


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