本文關(guān)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(dǎo)體材料,可以通過調(diào)節(jié)Al和In的組分,實(shí)現(xiàn)帶隙和晶格常數(shù)的獨(dú)立調(diào)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(shí)由于含In材料對(duì)位錯(cuò)不敏感的特點(diǎn),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(fù)合效率。因此四元AlxInyGa1-x-yN材料受到廣泛關(guān)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(zhǎng)的晶格匹配問題一直沒有解決。本論文利用MOCVD技術(shù),生長(zhǎng)了Al In Ga N多量子阱材料,通過改變Al源前驅(qū)物的流量,來調(diào)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(lán)光和近紫外光多量子阱樣品,并根據(jù)樣品的發(fā)光性能,提出了載流子在局域態(tài)和帶邊能級(jí)間躍遷和復(fù)合機(jī)制,還制備了AlxInyGa1-x-yN藍(lán)光LED芯片。主要研究?jī)?nèi)容包括:使用MOCVD設(shè)備在c面的藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了三個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)在450nm附近的藍(lán)光In0.20Ga0.80N/AlxInyGa1-x-yN多量子阱樣品(1#-3#樣品)和三個(gè)發(fā)光波長(zhǎng)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(zhǎng)過程中,改變Al源前驅(qū)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(zhǎng)了一個(gè)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(cè)試,分析了樣品的晶體結(jié)構(gòu)和界面質(zhì)量。利用各級(jí)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(qū)物流量對(duì)Al In Ga N中各元素組分的影響。隨著Al源前驅(qū)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(duì)In組分有抑制的作用。利用組分計(jì)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(dāng)Al In Ga N壘層與Ga N底層達(dá)到晶格匹配時(shí),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(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行分析,觀察到許多不同大小的V型位錯(cuò)坑。位錯(cuò)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(cuò)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(dǎo)致三維島狀生長(zhǎng)模式加強(qiáng)的結(jié)果。通過對(duì)樣品進(jìn)行拉曼光譜的檢測(cè)發(fā)現(xiàn),除了明顯的Ga N拉曼振動(dòng)峰外,還可以觀察到In N的A1(TO)聲子振動(dòng)峰以及Al N的A1(TO)和E2(high)聲子振動(dòng)峰,且隨著組分的增加聲子峰強(qiáng)度增強(qiáng),表明樣品中存在富In簇和富Al簇區(qū)域,在能帶中會(huì)形成局部組分波動(dòng)。利用光致發(fā)光譜對(duì)樣品的發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行研究,在藍(lán)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(xiàn)紅移,這是由量子阱中晶格失配增加導(dǎo)致量子限制斯塔克效應(yīng)增強(qiáng)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(yīng)。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(gè)溫度區(qū)域,區(qū)域的之間的轉(zhuǎn)變溫度隨壘層Al組分的增加而升高,用公式計(jì)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(dá)到晶格匹配的3#和5#樣品具有較強(qiáng)的載流子局域化效應(yīng)。使用多高斯型分布函數(shù)對(duì)壘層Al組分16%的藍(lán)光多量子阱樣品(3#)變溫光致發(fā)光譜進(jìn)行擬合,得到高能量一側(cè)的帶邊發(fā)光和低能量一側(cè)的局域態(tài)發(fā)光。兩個(gè)發(fā)光峰的強(qiáng)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(jìn)一步增加而減小。通過研究?jī)蓚�(gè)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(jí)間的躍遷和復(fù)合機(jī)制,并將載流子的躍遷過程分為四個(gè)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(qiáng)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(dòng),提高阱層的能帶波動(dòng),增強(qiáng)了量子阱中載流子的局域化效應(yīng)。利用標(biāo)準(zhǔn)的芯片制造工藝制備了藍(lán)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(cè)量LED芯片的I-V曲線,計(jì)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(dá)到70.5m W。在注入電流為9m A時(shí)發(fā)光效率達(dá)到最大值,然后逐漸下降。芯片的EL發(fā)光峰波長(zhǎng)隨注入電流呈現(xiàn)指數(shù)下降,通過公式擬合估算出在30m A注入電流時(shí)發(fā)光峰主波長(zhǎng)達(dá)到一個(gè)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(dá)到93.9%,表明LED芯片具有良好的光學(xué)性能。
【關(guān)鍵詞】：AlInGaN MOCVD LED 多量子阱 晶格匹配 局域化效應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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?fàn)顩r19-20
• 1.3.2 國內(nèi)LED器件的發(fā)展?fàn)顩r20
• 1.3.3 LED芯片的研究進(jìn)展20-25
• 1.4 III族氮化物材料的基本性質(zhì)25-31
• 1.4.1 III族氮化物的晶格結(jié)構(gòu)25-27
• 1.4.2 III族氮化物的能帶結(jié)構(gòu)27-29
• 1.4.3 III族氮化物的發(fā)光機(jī)理29-30
• 1.4.4 AlInGaN材料生長(zhǎng)的困難30-31
• 1.5 LED外延生長(zhǎng)的參數(shù)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(zhì)35-43
• 1.6.1 LED器件的光電性質(zhì)35-40
• 1.6.2 器件效率的計(jì)算方法40-42
• 1.6.3 高內(nèi)量子效率結(jié)構(gòu)42-43
• 1.7 本論文的主要研究?jī)?nèi)容43-44
• 第2章 實(shí)驗(yàn)原理和表征方法44-67
• 2.1 III族氮化物的MOCVD生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)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(yīng)變對(duì)發(fā)光的影響55-56
• 2.4.3 極化效應(yīng)56-58
• 2.4.4 量子限制斯塔克效應(yīng)58-59
• 2.4.5 局域效應(yīng)59-61
• 2.4.6 能帶偏移61-63
• 2.4.7 效率下降現(xiàn)象63-64
• 2.4.8 溫度誘導(dǎo)帶隙收縮現(xiàn)象64-67
• 第3章 藍(lán)光AlInGaN多量子阱材料的結(jié)構(gòu)及發(fā)光性能研究67-91
• 3.1 引言67-69
• 3.2 藍(lán)光多量子阱樣品的生長(zhǎng)69-70
• 3.3 壘層TMAl流量對(duì)量子阱結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響70-77
• 3.3.1 壘層TMAl流量對(duì)組分的影響70-73
• 3.3.2 壘層Al組分對(duì)表面形貌的影響73-75
• 3.3.3 組分波動(dòng)分析75-77
• 3.4 不同壘層Al組分多量子阱的光學(xué)性質(zhì)77-90
• 3.4.1 壘層Al組分對(duì)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(jī)制研究83-86
• 3.4.4 載流子的激活能86-88
• 3.4.5 內(nèi)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(jié)90-91
• 第4章 近紫外光AlInGaN多量子阱材料的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)92-93
• 4.3 壘層TMAl流量對(duì)量子阱結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響93-99
• 4.3.1 壘層TMAl流量對(duì)組分的影響93-95
• 4.3.2 壘層Al組分對(duì)表面形貌的影響95-97
• 4.3.3 組分波動(dòng)分析97-99
• 4.4 近紫外光多量子阱的光學(xué)性質(zhì)99-108
• 4.4.1 四元阱層對(duì)光致發(fā)光譜的影響99-102
• 4.4.2 四元阱層對(duì)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(nèi)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(jié)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(zhǎng)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(jié)122-123
• 結(jié)論123-125
• 參考文獻(xiàn)125-139
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果139-141
• 致謝141-142
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷142

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 何菊生;張萌;肖祁陵;;半導(dǎo)體外延層晶格失配度的計(jì)算[J];南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(理科版);2006年01期

  本文關(guān)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(hào)：326852