面向高效紫外发光器件的GaN量子点的MOCVD生长及性能研究

发布时间：2017-12-28 10:10

  本文关键词：面向高效紫外发光器件的GaN量子点的MOCVD生长及性能研究　出处：《华中科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

  更多相关文章： GaN量子点 量子限制效应 金属有机物化学气相沉积 生长后退火 两步法盖层 量子点有源区 量子点种子层

【摘要】：自组装GaN量子点是一种准0维纳米结构：具有极强的量子限制效应,可以抑制载流子向非辐射复合中心扩散；具有分立的能级,可以抑制载流子热激发；具有量子化的电子态,可以降低阈值电流密度。对于异质外延生长的AlGaN材料来讲,其内部位错密度高达109cm-2量级,导致AlGaN量子阱的内量子效率非常低,严重阻碍了短波长光电器件的发展,GaN量子点的出现为这一领域注入了新的活力。另外,GaN量子点在单光子源、红外探测器和存储器领域也有非常重要的研究意义。但是目前面向光电器件的GaN量子点的制备工艺尚未有系统报道,而且不同的器件应用要求不同密度和尺寸的自组装GaN量子点。基于此,我们通过金属有机化学气相沉积技术深入研究了自组装GaN量子点的生长工艺和相关性能。从AlN模板到i-AlGaN模板再到n-AlGaN模板,在不同的模板上获得了高质量的GaN量子点；从单层量子点到双层量子点再到多层量子点,分析了各生长参数对GaN量子点形貌和发光性能的影响；从单独的GaN量子点有源区到ZnO纳米棒／GaN量子点有源区,我们一直在向着制备GaN量子点光电器件这一目标努力,并取得了以下进展。(1)采用Ga droplet方法制备了GaN量子点,并深入研究了GaN量子点的生长后退火工艺对其形貌、氮化程度以及发光性能的影响。分析了NH3/N2气氛和NH3/H2气氛下的高温退火过程中GaN分解和成核以及Ga原子迁移和蒸发机制的作用机理。我们发现,在NH3/N2气氛下850℃退火可以显著提高GaN QDs的氮化度和发光性能,而GaN量子点的密度降低为6.1×109 cm-2。(2)系统研究了S-K方法中各个生长参数对GaN量子点形貌的影响及其内部机理。通过采用生长中断工艺在较高温度下获得了尺寸均一、高密度(2.25×1010cm-2)且发光性能优良的GaN量子点。(3)首次采用两步法AlN盖层生长工艺降低了AlN盖层表面粗糙度及其位错密度,同时显著提高了GaN量子点的发光性能。而且通过采用两步法AlN间隔层结构,成功制备出发光性能优良的多层堆叠结构的GaN/AlN量子点。(4)在i-Al0.5GaN和n-Al0.5GaN模板上通过S-K方法成功制备出GaN量子点,通过采用两步法n-Al0.5GaN间隔层结构成功制备出发光性能优良的多层GaN/n-Al0.5GaN结构,从而获得了基于GaN量子点的有源区。(5)首次采用GaN量子点作为ZnO纳米棒的种子层。通过调节GaN量子点的密度可以调控ZnO纳米棒的密度,并且实现了O维结构和1维结构的结合,显著改善了异质结界面晶体质量,提高了载流子的注入效率,从而获得了ZnO纳米棒/GaN量子点有源区。
[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.
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TN304.055

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