本文關(guān)鍵詞：面向高效紫外發(fā)光器件的GaN量子點(diǎn)的MOCVD生長(zhǎng)及性能研究　出處：《華中科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：自組裝GaN量子點(diǎn)是一種準(zhǔn)0維納米結(jié)構(gòu)：具有極強(qiáng)的量子限制效應(yīng),可以抑制載流子向非輻射復(fù)合中心擴(kuò)散；具有分立的能級(jí),可以抑制載流子熱激發(fā)；具有量子化的電子態(tài),可以降低閾值電流密度。對(duì)于異質(zhì)外延生長(zhǎng)的AlGaN材料來(lái)講,其內(nèi)部位錯(cuò)密度高達(dá)109cm-2量級(jí),導(dǎo)致AlGaN量子阱的內(nèi)量子效率非常低,嚴(yán)重阻礙了短波長(zhǎng)光電器件的發(fā)展,GaN量子點(diǎn)的出現(xiàn)為這一領(lǐng)域注入了新的活力。另外,GaN量子點(diǎn)在單光子源、紅外探測(cè)器和存儲(chǔ)器領(lǐng)域也有非常重要的研究意義。但是目前面向光電器件的GaN量子點(diǎn)的制備工藝尚未有系統(tǒng)報(bào)道,而且不同的器件應(yīng)用要求不同密度和尺寸的自組裝GaN量子點(diǎn)�；诖�,我們通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)深入研究了自組裝GaN量子點(diǎn)的生長(zhǎng)工藝和相關(guān)性能。從AlN模板到i-AlGaN模板再到n-AlGaN模板,在不同的模板上獲得了高質(zhì)量的GaN量子點(diǎn)；從單層量子點(diǎn)到雙層量子點(diǎn)再到多層量子點(diǎn),分析了各生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)GaN量子點(diǎn)形貌和發(fā)光性能的影響；從單獨(dú)的GaN量子點(diǎn)有源區(qū)到ZnO納米棒／GaN量子點(diǎn)有源區(qū),我們一直在向著制備GaN量子點(diǎn)光電器件這一目標(biāo)努力,并取得了以下進(jìn)展。(1)采用Ga droplet方法制備了GaN量子點(diǎn),并深入研究了GaN量子點(diǎn)的生長(zhǎng)后退火工藝對(duì)其形貌、氮化程度以及發(fā)光性能的影響。分析了NH3/N2氣氛和NH3/H2氣氛下的高溫退火過(guò)程中GaN分解和成核以及Ga原子遷移和蒸發(fā)機(jī)制的作用機(jī)理。我們發(fā)現(xiàn),在NH3/N2氣氛下850℃退火可以顯著提高GaN QDs的氮化度和發(fā)光性能,而GaN量子點(diǎn)的密度降低為6.1×109 cm-2。(2)系統(tǒng)研究了S-K方法中各個(gè)生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)GaN量子點(diǎn)形貌的影響及其內(nèi)部機(jī)理。通過(guò)采用生長(zhǎng)中斷工藝在較高溫度下獲得了尺寸均一、高密度(2.25×1010cm-2)且發(fā)光性能優(yōu)良的GaN量子點(diǎn)。(3)首次采用兩步法AlN蓋層生長(zhǎng)工藝降低了AlN蓋層表面粗糙度及其位錯(cuò)密度,同時(shí)顯著提高了GaN量子點(diǎn)的發(fā)光性能。而且通過(guò)采用兩步法AlN間隔層結(jié)構(gòu),成功制備出發(fā)光性能優(yōu)良的多層堆疊結(jié)構(gòu)的GaN/AlN量子點(diǎn)。(4)在i-Al0.5GaN和n-Al0.5GaN模板上通過(guò)S-K方法成功制備出GaN量子點(diǎn),通過(guò)采用兩步法n-Al0.5GaN間隔層結(jié)構(gòu)成功制備出發(fā)光性能優(yōu)良的多層GaN/n-Al0.5GaN結(jié)構(gòu),從而獲得了基于GaN量子點(diǎn)的有源區(qū)。(5)首次采用GaN量子點(diǎn)作為ZnO納米棒的種子層。通過(guò)調(diào)節(jié)GaN量子點(diǎn)的密度可以調(diào)控ZnO納米棒的密度,并且實(shí)現(xiàn)了O維結(jié)構(gòu)和1維結(jié)構(gòu)的結(jié)合,顯著改善了異質(zhì)結(jié)界面晶體質(zhì)量,提高了載流子的注入效率,從而獲得了ZnO納米棒/GaN量子點(diǎn)有源區(qū)。
[Abstract]:GaN self assembled quantum dot is a quasi 0 dimensional nanostructures with strong quantum confinement effect, can inhibit the carriers to nonradiative recombination centers with diffusion; discrete level, can inhibit the thermal excitation of the carriers; electronic states is quantized, can reduce the threshold current density. For the heteroepitaxial growth of AlGaN material, the dislocation density as high as 109cm-2 level, leading to the internal quantum efficiency of AlGaN quantum well is very low, seriously hindered the development of short wavelength devices, GaN quantum dots to inject new vitality in this field. In addition, GaN quantum dots have very important research significance in the field of single photon source, infrared detector and memory. However, the preparation technology of GaN quantum dots for photoelectric devices has not been systematically reported, and different device applications require self-assembled GaN quantum dots with different density and size. Based on this, we have studied the growth process and related properties of self assembled GaN quantum dots by metal organic chemical vapor deposition (CVD). From AlN to i-AlGaN and then to n-AlGaN template template template, the GaN QDs with high quality in different forms; from single quantum dots to double quantum point to multi-layer quantum dots, analyzed the effects of growth parameters on the morphology and luminescent properties of GaN quantum dots; GaN quantum dots from the active region to separate ZnO Nanorods / GaN quantum dot active region, we have been to the preparation of GaN quantum dots photodevice this goal, and made the following progress. (1) GaN quantum dots were prepared by Ga droplet method. The effects of annealing process on the morphology, nitridation and luminescence properties of GaN quantum dots were studied. The mechanism of GaN decomposition and nucleation as well as the mechanism of Ga atom migration and evaporation in the process of high temperature annealing in NH3/N2 atmosphere and NH3/H2 atmosphere was analyzed. It is found that the nitrification and luminescence properties of GaN QDs can be significantly increased at 850 C under the atmosphere of NH3/N2, while the density of GaN quantum dots is reduced to 6.1 x 109 cm-2. (2) the influence of the growth parameters on the morphology of GaN quantum dots (QDs) in the S-K method and its internal mechanism were systematically studied. The GaN quantum dots with uniform size, high density (2.25 * 1010cm-2) and excellent luminescence properties were obtained at higher temperatures by using the growth interruption process. (3) the surface roughness and dislocation density of the AlN capping layer were reduced by the two step AlN cap growth process for the first time, and the luminescence properties of the GaN quantum dots were significantly improved. And by using the two step AlN interlayer structure, the GaN/AlN quantum dots with high luminescent properties of multilayer stacked structures were successfully prepared. (4) GaN quantum dots were successfully prepared on i-Al0.5GaN and n-Al0.5GaN templates by S-K method. By using the two step n-Al0.5GaN interlayer structure, the multilayer GaN/n-Al0.5GaN structure with excellent luminescent properties was successfully prepared, and the active region based on GaN quantum dots was obtained. (5) the GaN quantum dots were used for the first time as the seed layer of the ZnO nanorods. By adjusting the density of GaN quantum dots, we can control the density of ZnO nanorods, and achieve the combination of O dimension structure and 1 dimensional structure. It significantly improves the quality of heterojunction interface crystals and improves the injection efficiency of carriers, thus obtaining the active region of ZnO nanorods /GaN quantum dots.
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB383.1;TN304.055

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