低维半导体材料（InGaN量子阱、InAs量子点）显微结构与光学性能关系研究

【摘要】：本文利用透射电子显微镜、光致发光谱、X 射线双晶衍射和电子全息等多种实验手段和方法,深入地研究了二维InGaN/GaN 多量子阱结构差异对光学性质的影响,以及具有InGaAs/InAlAs 复合盖帽层的InAs 量子点快速热退火过程中结构和光学性质的演化及其机理。主要结果如下:研究了光学性能差异较大的InGaN/GaN 多量子阱材料,发现:在性能较差的样品中,从InGaN 应力层中产 ?生了高密度的Burgers 矢量为b=1/31120类型的纯刃型位错失配位错,这些失配位错是由于应力层厚度超过临界厚度产生应力弛豫引起的。通过光致发光方法研究了经过应力弛豫和未发生弛豫的InGaN 量子阱样品的发光性能,发现两类样品发光强度相差较大,由于弛豫所产生的位错对于样品的发光性能有很大的影响,是发光性能衰减的主要原因。将我们的实验结果与已有的理论模型进行综合分析对比发现,我们的实验结果完全符合Fischer 模型,说明Fischer 等提出的模型可以用来预测InxGa1-xN/GaN 量子阱结构的应变弛豫临界厚度。通过电子全息方法得到的相位重构图中,我们观察到未发生应力弛豫的阱与垒间的界面很清晰,量子阱形态很完整;已产生弛豫的阱(InGaN 层)沿[0001]生长方向的上表面(应力层与盖帽层间的界面)非常模糊,难以确定;说明应力弛豫对量子阱的阱深改变影响不是很大,主要是破坏了界面尤其是上层界面的平整度,导致发光性能很差。 利用光致发光方法和高分辨电镜分析了具有InGaAs/InAlAs 复合盖帽层的InAs 量子点不同温度退火后光学和结构演化行为。研究发现850 C 退火之后, o量子点层和复合覆盖层结构互相扩散形成了InAlGaAs 单量子阱,这种结构导致与原来的量子点样品比较,PL 峰的位置蓝移了370meV,半高宽得到很大改善并且强度增加了近2.7 倍。