本文關鍵詞：AlInGaN多量子阱發(fā)光材料的制備與光電性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：四元AlxInyGa1-x-yN化合物半導體材料,可以通過調節(jié)Al和In的組分,實現帶隙和晶格常數的獨立調控,可以獲得量子阱壘層與Al Ga N類似的寬帶隙以增加載流子的限制能力,同時由于含In材料對位錯不敏感的特點,可用作量子阱的阱層材料,增加載流子的局域化作用,可以提高輻射復合效率。因此四元AlxInyGa1-x-yN材料受到廣泛關注并成為高效發(fā)光二極管研究最有潛力的材料。但是四元AlxInyGa1-x-yN化合物中各元素組分的選擇以及材料生長的晶格匹配問題一直沒有解決。本論文利用MOCVD技術,生長了Al In Ga N多量子阱材料,通過改變Al源前驅物的流量,來調節(jié)AlxInyGa1-x-yN中Al的組分,使Al In Ga N成為多量子阱樣品的阱層和壘層,制備出與Ga N底層相匹配的藍光和近紫外光多量子阱樣品,并根據樣品的發(fā)光性能,提出了載流子在局域態(tài)和帶邊能級間躍遷和復合機制,還制備了AlxInyGa1-x-yN藍光LED芯片。主要研究內容包括:使用MOCVD設備在c面的藍寶石襯底上生長了三個發(fā)光波長在450nm附近的藍光In0.20Ga0.80N/AlxInyGa1-x-yN多量子阱樣品(1#-3#樣品)和三個發(fā)光波長在390nm附近的近紫外光In0.08Ga0.92N/AlxInyGa1-x-yN多量子阱樣品(4#-6#樣品)。在AlxInyGa1-x-yN壘層生長過程中,改變Al源前驅物的流量以獲得不同的壘層Al組分,討論了Al In Ga N壘層與Ga N底層之間的晶格匹配問題。另外還使用Al In Ga N作阱層生長了一個近紫外光Al0.11In0.13Ga0.76N/Al0.16In0.045Ga0.795N多量子阱樣品(7#樣品)。通過高分辨X射線衍射搖擺曲線測試,分析了樣品的晶體結構和界面質量。利用各級衍射峰的位置估算了樣品中各元素的組分,并分析了Al源前驅物流量對Al In Ga N中各元素組分的影響。隨著Al源前驅物流量的增加,AlxInyGa1-x-yN壘層中的In組分減小,表明增加TMAl流量對In組分有抑制的作用。利用組分計算了量子阱中的阱層和壘層間以及壘層與Ga N底層間的晶格失配。當Al In Ga N壘層與Ga N底層達到晶格匹配時,X射線衍射搖擺曲線光滑,表明樣品中具有平整的界面。利用原子力顯微鏡對樣品的表面形貌進行分析,觀察到許多不同大小的V型位錯坑。位錯坑密度隨Al In Ga N壘層與Ga N底層之間晶格失配的降低而減小,表明這些位錯坑形成于壘層與Ga N底層之間的界面。隨著壘層Al組分的增加,表面均方根粗糙度增加,這是由Al組分增加導致三維島狀生長模式加強的結果。通過對樣品進行拉曼光譜的檢測發(fā)現,除了明顯的Ga N拉曼振動峰外,還可以觀察到In N的A1(TO)聲子振動峰以及Al N的A1(TO)和E2(high)聲子振動峰,且隨著組分的增加聲子峰強度增強,表明樣品中存在富In簇和富Al簇區(qū)域,在能帶中會形成局部組分波動。利用光致發(fā)光譜對樣品的發(fā)光性質進行研究,在藍光多量子阱樣品中,隨著壘層Al組分的增加,發(fā)光能量出現紅移,這是由量子阱中晶格失配增加導致量子限制斯塔克效應增強引起的。在變溫光致發(fā)光譜中可以觀察到明顯的發(fā)光峰能量隨溫度的S型變化,表明樣品中存在載流子局域化效應。將發(fā)光峰能量隨溫度的變化用Varshni公式擬合,并將變化過程分為三個溫度區(qū)域,區(qū)域的之間的轉變溫度隨壘層Al組分的增加而升高,用公式計算了樣品的載流子局域度。在兩組樣品中,Al In Ga N壘層與Ga N底層達到晶格匹配的3#和5#樣品具有較強的載流子局域化效應。使用多高斯型分布函數對壘層Al組分16%的藍光多量子阱樣品(3#)變溫光致發(fā)光譜進行擬合,得到高能量一側的帶邊發(fā)光和低能量一側的局域態(tài)發(fā)光。兩個發(fā)光峰的強度比Ilocalized/IBE與局域態(tài)發(fā)光峰能量隨著溫度從10K增加到160K而增大,然后隨溫度的進一步增加而減小。通過研究兩個發(fā)光峰能量分別隨溫度的變化,提出了在溫度升高過程中載流子在帶邊和局域態(tài)能級間的躍遷和復合機制,并將載流子的躍遷過程分為四個階段。使用Al In Ga N代替In0.08Ga0.92N作阱層的近紫外光多量子阱樣品(7#)發(fā)光強度和半峰寬均增加,表明Al In Ga N作阱層可以增加組分的起伏波動,提高阱層的能帶波動,增強了量子阱中載流子的局域化效應。利用標準的芯片制造工藝制備了藍光In0.20Ga0.80N/Al0.16In0.027Ga0.813N LED芯片,并分析了LED芯片的光電性能。通過測量LED芯片的I-V曲線,計算出開啟電壓為3.0V,表明芯片中有較大的等效電阻。20m A注入電流下的光輸出功率達到70.5m W。在注入電流為9m A時發(fā)光效率達到最大值,然后逐漸下降。芯片的EL發(fā)光峰波長隨注入電流呈現指數下降,通過公式擬合估算出在30m A注入電流時發(fā)光峰主波長達到一個穩(wěn)定值,表明LED芯片中存在大量的局域態(tài)。在20m A注入電流下LED的外量子效率為1.36%,色純度達到93.9%,表明LED芯片具有良好的光學性能。
【關鍵詞】：AlInGaN MOCVD LED 多量子阱 晶格匹配 局域化效應
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-44
• 1.1 固態(tài)照明的研究目的和意義15-18
• 1.2 白光LED合成方法18-19
• 1.3 Ga N基LED器件和芯片的發(fā)展19-25
• 1.3.1 國外LED器件的發(fā)展狀況19-20
• 1.3.2 國內LED器件的發(fā)展狀況20
• 1.3.3 LED芯片的研究進展20-25
• 1.4 III族氮化物材料的基本性質25-31
• 1.4.1 III族氮化物的晶格結構25-27
• 1.4.2 III族氮化物的能帶結構27-29
• 1.4.3 III族氮化物的發(fā)光機理29-30
• 1.4.4 AlInGaN材料生長的困難30-31
• 1.5 LED外延生長的參數選擇31-35
• 1.5.1 襯底的選擇31-32
• 1.5.2 緩沖層和模板層32-33
• 1.5.3 多量子阱33-34
• 1.5.4 n型摻雜34-35
• 1.5.5 p型摻雜35
• 1.6 LED器件的基本性質35-43
• 1.6.1 LED器件的光電性質35-40
• 1.6.2 器件效率的計算方法40-42
• 1.6.3 高內量子效率結構42-43
• 1.7 本論文的主要研究內容43-44
• 第2章 實驗原理和表征方法44-67
• 2.1 III族氮化物的MOCVD生長原理44-47
• 2.1.1 MOCVD的工作原理44-45
• 2.1.2 MOCVD系統(tǒng)的組成45-47
• 2.2 樣品結構的表征方法47-49
• 2.2.1 高分辨X射線衍射47-48
• 2.2.2 原子力顯微鏡48-49
• 2.3 樣品光學性質表征方法49-51
• 2.3.1 拉曼光譜49
• 2.3.2 光致發(fā)光譜49-51
• 2.4 影響多量子阱發(fā)光的因素51-67
• 2.4.1 晶格失配51-55
• 2.4.2 應變對發(fā)光的影響55-56
• 2.4.3 極化效應56-58
• 2.4.4 量子限制斯塔克效應58-59
• 2.4.5 局域效應59-61
• 2.4.6 能帶偏移61-63
• 2.4.7 效率下降現象63-64
• 2.4.8 溫度誘導帶隙收縮現象64-67
• 第3章 藍光AlInGaN多量子阱材料的結構及發(fā)光性能研究67-91
• 3.1 引言67-69
• 3.2 藍光多量子阱樣品的生長69-70
• 3.3 壘層TMAl流量對量子阱結構性質的影響70-77
• 3.3.1 壘層TMAl流量對組分的影響70-73
• 3.3.2 壘層Al組分對表面形貌的影響73-75
• 3.3.3 組分波動分析75-77
• 3.4 不同壘層Al組分多量子阱的光學性質77-90
• 3.4.1 壘層Al組分對光致發(fā)光譜的影響77-78
• 3.4.2 量子阱局域性能研究78-83
• 3.4.3 量子阱中載流子的躍遷機制研究83-86
• 3.4.4 載流子的激活能86-88
• 3.4.5 內量子效率研究88-89
• 3.4.6 晶片的均勻性研究89-90
• 3.5 本章小結90-91
• 第4章 近紫外光AlInGaN多量子阱材料的結構及發(fā)光性能研究91-109
• 4.1 引言91-92
• 4.2 近紫外光多量子阱樣品的生長92-93
• 4.3 壘層TMAl流量對量子阱結構性質的影響93-99
• 4.3.1 壘層TMAl流量對組分的影響93-95
• 4.3.2 壘層Al組分對表面形貌的影響95-97
• 4.3.3 組分波動分析97-99
• 4.4 近紫外光多量子阱的光學性質99-108
• 4.4.1 四元阱層對光致發(fā)光譜的影響99-102
• 4.4.2 四元阱層對量子阱局域的影響102-104
• 4.4.3 載流子的激活能104-106
• 4.4.4 內量子效率研究106-107
• 4.4.5 晶片的均勻性研究107-108
• 4.5 本章小結108-109
• 第5章 LED芯片的制備與光電性能研究109-123
• 5.1 引言109
• 5.2 芯片制備工藝109-113
• 5.2.1 外延片生長109-110
• 5.2.2 芯片制備110-113
• 5.3 LED芯片的光電性能113-122
• 5.3.1 LED芯片的I-V曲線113-114
• 5.3.2 LED芯片的發(fā)光效率114-115
• 5.3.3 LED芯片的電致發(fā)光115-121
• 5.3.4 LED芯片的外量子效率121-122
• 5.4 本章小結122-123
• 結論123-125
• 參考文獻125-139
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及其它成果139-141
• 致謝141-142
• 個人簡歷142

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前1條

1 何菊生;張萌;肖祁陵;;半導體外延層晶格失配度的計算[J];南昌大學學報(理科版);2006年01期

  本文關鍵詞：AlInGaN多量子阱發(fā)光材料的制備與光電性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：326852