AlInGaN多量子阱发光材料的制备与光电性能研究

发布时间：2017-04-25 19:01

  本文关键词：AlInGaN多量子阱发光材料的制备与光电性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四元AlxInyGa1-x-yN化合物半导体材料,可以通过调节Al和In的组分,实现带隙和晶格常数的独立调控,可以获得量子阱垒层与Al Ga N类似的宽带隙以增加载流子的限制能力,同时由于含In材料对位错不敏感的特点,可用作量子阱的阱层材料,增加载流子的局域化作用,可以提高辐射复合效率。因此四元AlxInyGa1-x-yN材料受到广泛关注并成为高效发光二极管研究最有潜力的材料。但是四元AlxInyGa1-x-yN化合物中各元素组分的选择以及材料生长的晶格匹配问题一直没有解决。本论文利用MOCVD技术,生长了Al In Ga N多量子阱材料,通过改变Al源前驱物的流量,来调节AlxInyGa1-x-yN中Al的组分,使Al In Ga N成为多量子阱样品的阱层和垒层,制备出与Ga N底层相匹配的蓝光和近紫外光多量子阱样品,并根据样品的发光性能,提出了载流子在局域态和带边能级间跃迁和复合机制,还制备了AlxInyGa1-x-yN蓝光LED芯片。主要研究内容包括:使用MOCVD设备在c面的蓝宝石衬底上生长了三个发光波长在450nm附近的蓝光In0.20Ga0.80N/AlxInyGa1-x-yN多量子阱样品(1#-3#样品)和三个发光波长在390nm附近的近紫外光In0.08Ga0.92N/AlxInyGa1-x-yN多量子阱样品(4#-6#样品)。在AlxInyGa1-x-yN垒层生长过程中,改变Al源前驱物的流量以获得不同的垒层Al组分,讨论了Al In Ga N垒层与Ga N底层之间的晶格匹配问题。另外还使用Al In Ga N作阱层生长了一个近紫外光Al0.11In0.13Ga0.76N/Al0.16In0.045Ga0.795N多量子阱样品(7#样品)。通过高分辨X射线衍射摇摆曲线测试,分析了样品的晶体结构和界面质量。利用各级衍射峰的位置估算了样品中各元素的组分,并分析了Al源前驱物流量对Al In Ga N中各元素组分的影响。随着Al源前驱物流量的增加,AlxInyGa1-x-yN垒层中的In组分减小,表明增加TMAl流量对In组分有抑制的作用。利用组分计算了量子阱中的阱层和垒层间以及垒层与Ga N底层间的晶格失配。当Al In Ga N垒层与Ga N底层达到晶格匹配时,X射线衍射摇摆曲线光滑,表明样品中具有平整的界面。利用原子力显微镜对样品的表面形貌进行分析,观察到许多不同大小的V型位错坑。位错坑密度随Al In Ga N垒层与Ga N底层之间晶格失配的降低而减小,表明这些位错坑形成于垒层与Ga N底层之间的界面。随着垒层Al组分的增加,表面均方根粗糙度增加,这是由Al组分增加导致三维岛状生长模式加强的结果。通过对样品进行拉曼光谱的检测发现,除了明显的Ga N拉曼振动峰外,还可以观察到In N的A1(TO)声子振动峰以及Al N的A1(TO)和E2(high)声子振动峰,且随着组分的增加声子峰强度增强,表明样品中存在富In簇和富Al簇区域,在能带中会形成局部组分波动。利用光致发光谱对样品的发光性质进行研究,在蓝光多量子阱样品中,随着垒层Al组分的增加,发光能量出现红移,这是由量子阱中晶格失配增加导致量子限制斯塔克效应增强引起的。在变温光致发光谱中可以观察到明显的发光峰能量随温度的S型变化,表明样品中存在载流子局域化效应。将发光峰能量随温度的变化用Varshni公式拟合,并将变化过程分为三个温度区域,区域的之间的转变温度随垒层Al组分的增加而升高,用公式计算了样品的载流子局域度。在两组样品中,Al In Ga N垒层与Ga N底层达到晶格匹配的3#和5#样品具有较强的载流子局域化效应。使用多高斯型分布函数对垒层Al组分16%的蓝光多量子阱样品(3#)变温光致发光谱进行拟合,得到高能量一侧的带边发光和低能量一侧的局域态发光。两个发光峰的强度比Ilocalized/IBE与局域态发光峰能量随着温度从10K增加到160K而增大,然后随温度的进一步增加而减小。通过研究两个发光峰能量分别随温度的变化,提出了在温度升高过程中载流子在带边和局域态能级间的跃迁和复合机制,并将载流子的跃迁过程分为四个阶段。使用Al In Ga N代替In0.08Ga0.92N作阱层的近紫外光多量子阱样品(7#)发光强度和半峰宽均增加,表明Al In Ga N作阱层可以增加组分的起伏波动,提高阱层的能带波动,增强了量子阱中载流子的局域化效应。利用标准的芯片制造工艺制备了蓝光In0.20Ga0.80N/Al0.16In0.027Ga0.813N LED芯片,并分析了LED芯片的光电性能。通过测量LED芯片的I-V曲线,计算出开启电压为3.0V,表明芯片中有较大的等效电阻。20m A注入电流下的光输出功率达到70.5m W。在注入电流为9m A时发光效率达到最大值,然后逐渐下降。芯片的EL发光峰波长随注入电流呈现指数下降,通过公式拟合估算出在30m A注入电流时发光峰主波长达到一个稳定值,表明LED芯片中存在大量的局域态。在20m A注入电流下LED的外量子效率为1.36%,色纯度达到93.9%,表明LED芯片具有良好的光学性能。
【关键词】：AlInGaN MOCVD LED 多量子阱 晶格匹配 局域化效应
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.2
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-44
• 1.1 固态照明的研究目的和意义15-18
• 1.2 白光LED合成方法18-19
• 1.3 Ga N基LED器件和芯片的发展19-25
• 1.3.1 国外LED器件的发展状况19-20
• 1.3.2 国内LED器件的发展状况20
• 1.3.3 LED芯片的研究进展20-25
• 1.4 III族氮化物材料的基本性质25-31
• 1.4.1 III族氮化物的晶格结构25-27
• 1.4.2 III族氮化物的能带结构27-29
• 1.4.3 III族氮化物的发光机理29-30
• 1.4.4 AlInGaN材料生长的困难30-31
• 1.5 LED外延生长的参数选择31-35
• 1.5.1 衬底的选择31-32
• 1.5.2 缓冲层和模板层32-33
• 1.5.3 多量子阱33-34
• 1.5.4 n型掺杂34-35
• 1.5.5 p型掺杂35
• 1.6 LED器件的基本性质35-43
• 1.6.1 LED器件的光电性质35-40
• 1.6.2 器件效率的计算方法40-42
• 1.6.3 高内量子效率结构42-43
• 1.7 本论文的主要研究内容43-44
• 第2章 实验原理和表征方法44-67
• 2.1 III族氮化物的MOCVD生长原理44-47
• 2.1.1 MOCVD的工作原理44-45
• 2.1.2 MOCVD系统的组成45-47
• 2.2 样品结构的表征方法47-49
• 2.2.1 高分辨X射线衍射47-48
• 2.2.2 原子力显微镜48-49
• 2.3 样品光学性质表征方法49-51
• 2.3.1 拉曼光谱49
• 2.3.2 光致发光谱49-51
• 2.4 影响多量子阱发光的因素51-67
• 2.4.1 晶格失配51-55
• 2.4.2 应变对发光的影响55-56
• 2.4.3 极化效应56-58
• 2.4.4 量子限制斯塔克效应58-59
• 2.4.5 局域效应59-61
• 2.4.6 能带偏移61-63
• 2.4.7 效率下降现象63-64
• 2.4.8 温度诱导带隙收缩现象64-67
• 第3章 蓝光AlInGaN多量子阱材料的结构及发光性能研究67-91
• 3.1 引言67-69
• 3.2 蓝光多量子阱样品的生长69-70
• 3.3 垒层TMAl流量对量子阱结构性质的影响70-77
• 3.3.1 垒层TMAl流量对组分的影响70-73
• 3.3.2 垒层Al组分对表面形貌的影响73-75
• 3.3.3 组分波动分析75-77
• 3.4 不同垒层Al组分多量子阱的光学性质77-90
• 3.4.1 垒层Al组分对光致发光谱的影响77-78
• 3.4.2 量子阱局域性能研究78-83
• 3.4.3 量子阱中载流子的跃迁机制研究83-86
• 3.4.4 载流子的激活能86-88
• 3.4.5 内量子效率研究88-89
• 3.4.6 晶片的均匀性研究89-90
• 3.5 本章小结90-91
• 第4章 近紫外光AlInGaN多量子阱材料的结构及发光性能研究91-109
• 4.1 引言91-92
• 4.2 近紫外光多量子阱样品的生长92-93
• 4.3 垒层TMAl流量对量子阱结构性质的影响93-99
• 4.3.1 垒层TMAl流量对组分的影响93-95
• 4.3.2 垒层Al组分对表面形貌的影响95-97
• 4.3.3 组分波动分析97-99
• 4.4 近紫外光多量子阱的光学性质99-108
• 4.4.1 四元阱层对光致发光谱的影响99-102
• 4.4.2 四元阱层对量子阱局域的影响102-104
• 4.4.3 载流子的激活能104-106
• 4.4.4 内量子效率研究106-107
• 4.4.5 晶片的均匀性研究107-108
• 4.5 本章小结108-109
• 第5章 LED芯片的制备与光电性能研究109-123
• 5.1 引言109
• 5.2 芯片制备工艺109-113
• 5.2.1 外延片生长109-110
• 5.2.2 芯片制备110-113
• 5.3 LED芯片的光电性能113-122
• 5.3.1 LED芯片的I-V曲线113-114
• 5.3.2 LED芯片的发光效率114-115
• 5.3.3 LED芯片的电致发光115-121
• 5.3.4 LED芯片的外量子效率121-122
• 5.4 本章小结122-123
• 结论123-125
• 参考文献125-139
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果139-141
• 致谢141-142
• 个人简历142

【参考文献】

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1 何菊生;张萌;肖祁陵;;半导体外延层晶格失配度的计算[J];南昌大学学报(理科版);2006年01期

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本文编号：326852