具有超晶格应力调制结构的绿光InGaN/GaN多量子阱的发光特性

研究了具有InGaN/GaN超晶格(SL)插入结构的绿光InGaN/GaN多量子阱(MQW)的发光特性。结构测试表明,SL插入结构并没有引起MQW中平均In组份的增加,而是改变了In组份的分布,形成了高In组份的量子点和低In组份量子阱。其电致发光(EL)谱和光致发光(PL)谱均出现了双发光峰。我们认为这两个 峰分别来自于量子点和量子阱,且存在着载流子从阱向点转移的输运机制。最后变温PL积分强度的Arrhenius 拟合表明,SL插入结构并没有在MQW中引入新的缺陷,使其发光效率下降。     

InN分凝的InGaN薄膜的光致发光与吸收谱

我们用低压MOCVD在蓝宝石衬底生长了InGaN/GaN外延层.用X射线衍射(XRD),光致发光谱(PL),光吸收谱等测量手段,研究了InGaN的辐射发光机制.In组分利用Vegard定理和XRD测量得到.我们发现随着In组分的增加,在光吸收谱上发现吸收边的红移和较宽的Urbach带尾;PL谱中低能端的发射渐渐成为主导,并且在PL激发谱中InGaN峰也变宽.我们认为压电效应改变了InGaN的能带结构,从而影响了光学吸收特性.而在InN量子点中的辐射复合则是InGaN层发光的起源.     

MOCVD生长InGaN/GaN MQW紫光LED

利用LP－MOCVD系统生长了InGaN/GaN MQW紫光LED外延片，双晶X射线衍射测试获得了2级卫星峰，室温光致发光谱的峰值波长为399.5nm，FWHM为15.5nm，波长均匀性良好。制成的LED管芯，正向电流20mA时，工作电压在4V以下。     

蓝光激光器结构中InGaN/GaN多量子阱界面效应的精细光致发光光谱研究

金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法制备InGaN/GaN多量子阱结构时,在GaN势垒层生长的N₂载气中引入适量H₂,能够有效改善阱/垒界面质量从而提升发光效率。本工作利用光致发光（PL）光谱技术,对蓝光激光器结构中的InGaN/GaN多量子阱的发光性能进行了精细的光谱学测量与表征,研究了通H₂生长对量子阱界面的调控效应及其发光效率提升的物理机制。室温PL光谱结果显示,GaN势垒层生长载气中引入2.5%的H₂使InGaN/GaN多量子阱的发光效率提升了75%、发光峰的峰位蓝移了17 meV、半峰宽（FWHM）减小了10 meV。通过功率依赖的PL光谱特征分析,我们对InGaN/GaN量子阱中的量子限制Stark效应（QCSE）和能带填充（Band Filling）效应进行了清晰的辨析,发现了发光峰峰位和峰宽的光谱特征主要受QCSE效应影响,H₂的引入能够大幅度降低QCSE效应,并且确定了QCSE效应被完全屏蔽情况下的发光峰能量为2.75 eV。温度依赖的PL光谱数据揭示了通H₂生长量子阱结构中显著减弱的载流子局域化行为,显示界面质量提高有效降低了限制势垒的能量波动,从而导致更窄的发光峰半峰宽。PL光谱强度随温度的变化规律表明,通H₂生长并不改变量子阱界面处的非辐射复合中心的物理本质,却能够显著减少非辐射复合中心的密度,有助于提升量子阱的发光效率。通过时间分辨PL光谱分析,发现通H₂生长会导致量子阱结构中更短的载流子辐射复合寿命,但不影响非辐射复合寿命。载流子复合寿命的变化特征进一步确认了通H₂生长对量子阱结构中QCSE效应和非辐射复合中心的影响规律。综合所有PL光谱分析结果,我们发现通H₂生长能够提高InGaN/GaN多量子阱的界面质量、显著减弱应力效应（更弱的QCSE效应）、降低限制势垒的能量波动以及减少界面处非辐射复合中心的密度,从而显著提升量子阱的发光效率。该研究工作充分显示了PL光谱技术对半导体量子结构发光性能的精细表征能力,光谱分析结果能够为InGaN/GaN多量子阱生长提供有价值的参考。     

MOCVD生长InGaN/AlGaN双异质结构与GaN过渡层的工艺与特性

评述利用MOCVD技术在α-Al2O3衬底上生长GaN薄膜及InGaN／A1GaN双异质结(DH)结构的工艺与特性;从表面动力学观点着重讨论了GaN过渡层MOCVD生长条件(温度、气流束源等)对表面形貌、结晶形态、掺杂及其光电性能的影响。分析表明,GaN薄膜生长速率主要依赖于反应炉温度,气流束源摩尔流量速率。若生长温度太高,引起PL发光谱峰向长波侧移动;GaN缓冲层生长温度必须控制在550℃。高的V／Ⅲ双气束流比率能够抑制GaN发光谱中550nm辐射峰产生。为了获得高质量p-A1GaN、GaN层,控制生长温度和以Cp2Mg为杂质源的Mg受主掺杂量,并在N2气氛中800℃快速退火,有助于提高InGaN／AlGaN双异质结辐射复合效率。     

关于InGaN/GaN多量子阱结构内量子效率的研究

利用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底(0001)面生长了InGaN/GaN多量子阱结构,并测量了其荧光(PL)光谱的峰位能量和发光效率对温度和注入载流子密度的依赖性.结果显示,该样品PL的峰位能量对温度的依赖性是"S形"的(降低-增加-降低),并且最大发光效率出现在50 K左右.前者反映了InGaN阱层中势能的非均一性和载流子复合的局域特征,后者则表明了将极低温度下的内量子效率设定为100%的传统界定方法应当被修正.进一步的研究结果显示,发光效率不仅是温度的函数,同时也是注入载流子密度的函数.为此我们对传统的基于PL光谱测量来确定某结构(或器件)内量子效率的方法进行了修正:在不同温度下测量发光效率对注入载流子密度的依赖性,并将发光效率的最大值设为内量子效率是100%,这样,其他温度点和注入载流子密度点所对应的内量子效率也就随之确定.     

GaN外延片中载流子浓度的纵向分布

采用适合宽禁带半导体材料的电化学电容电压(ECV)分析仪,对掺硅GaN外延片用硫酸逐层进行了精密腐蚀后,在此基础上得到了在进口MOCVD设备上生产的GaN基外延片的载流子浓度纵向分布.探讨了该分布与晶体生长过程及晶体质量的关系,测量分析结果可为生长工艺参数的优化提供参考.还采用主扩散模型对测量结果进行高斯拟合,得出了高温时(1030℃)硅在GaN中的扩散系数,并由此估算了硅在GaN外延片中的扩散宽度.该结果可为GaN外延层结构设计提供参考.     

InGaAsN量子阱的光致发光谱研究(英文)

我们测量了低N组分的InGaAsN/InGaAs/GaAs量子阱材料的光致发光(PL)谱,测量温度范围从13K到300K。实验结果显示,InGaAsN的PL谱的主峰值的能量位置随温度的变化呈现出反常的S型温度依赖关系。用Varshni经验公式对实验数据进行拟合之后,发现在低温下InGaAsN量子阱中的载流子是处于局域态的。此外,我们还测量了样品在不同的温度、不同的能量位置的瞬态谱,结果进一步证实了:在低温下,InGaAsN的PL谱谱峰主要是局域态激子的复合发光占据主导地位,而且InGaAsN中的载流子局域态主要是由N等电子缺陷造成的涨落势引起的。     

纳米柱高度对GaN基绿光LED光致发光谱的影响

纳米柱结构是释放高In组分InGaN/GaN绿光LED量子阱层应变的有效方法。本文采用自组装的聚苯乙烯微球掩模、感应耦合等离子体干法刻蚀和KOH溶液的湿法腐蚀,在GaN基绿光LED外延片上制备了3种高度的纳米柱结构,通过扫描电子显微镜观察纳米柱结构的形貌,并测试了常温和10 K低温时的光致发光谱(PL)。结果表明:应变释放对压电场的影响显著,使得纳米柱结构样品的内量子效率(IQE)提高,PL谱峰值波长蓝移;应变在量子阱中的不均匀分布还使得PL谱半高全宽(FWHM)展宽。与普通平面结构相比,高度为747 nm的纳米柱结构可使得IQE提升917%,PL谱峰值波长蓝移18 nm、FWHM展宽7 nm。另外,纳米柱结构样品的有源区有效面积减小可使得PL谱FWHM减小。     

MOCVD生长的InGaN合金的发光特性

研究了用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在蓝宝石基底上生长的InGaN样品的发光特性。样品XRD谱中存在InGaN、In、InN相,表明样品中存在相分离;透射谱能看到由于F-P腔调制引起的震荡;相对氙灯激发发光谱,激光激发的发光谱其发光峰位置发生蓝移。由于样品上下表面形成F-P腔,对发光谱产生强烈的调制,在较高强度激发下,在室温下带边峰分成三个峰,其中波长较短的两个发光峰表现出相同的特征,其发光机制可能为以In量子点为局域中心的局域化激子复合发光,而波长较长的发光峰,是一个超线性受激发光峰,其发光机制可能是电子-空穴等离子的散射。不同温度的PL谱表明两个主要的发光峰表现出不同的温度特征,利用F-P干涉理论分析可知,当温度高于120K后样品折射率随着温度的升高而增大。     

InGaN/GaN多量子阱LED载流子泄漏与温度关系研究

通过测量光电流,直接观察了InGaN/GaN量子阱中载流子的泄漏程度随温度升高的变化关系。当LED温度从300K升高到360K时,在相同的光照强度下,LED的光电流增大,说明在温度上升之后,载流子从量子阱中逃逸的数目更多,即载流子泄漏比例增大。同时,光电流的增大在激发密度较低的时候更为明显,而且光电流随温度的增加幅度与激发光子的能量有关。用量子阱-量子点复合模型能很好地解释所观察到的实验现象。实验结果直接证明,随着温度的升高,InGaN/GaN量子阱中的载流子泄漏将显著增加,而且在低激发密度下这一效应更为明显。温度升高导致的载流子泄漏增多是InGaN多量子阱LED发光效率随温度升高而降低的重要原因。     

MOVPE生长的InGaN/GaN单量子阱的光致发光和光吸收特性

研究了用金属有机物气相外延(MOVPE)法在蓝宝石衬底上生长的In组分浓度保持不变的InGaN/GaN单量子阱结构在室温下的发光特性和光吸收特性.实验结果表明,在InGaN厚度<3nm时,随着样品InGaN势阱层宽度的增加(1nm),光致发光(PL)谱的发光峰值波长出现明显的红移33nm现象,而且发光强度下降8%,谱线半峰全宽(FWHM)展宽,通过对样品的透射、反射光谱研究发现,量子阱层窄(1.5nm)的样品在波长接近红外区时出现无吸收的现象,即R+T达到了100%,而在阱层较宽的样品中没有发现这一现象,对引起这些现象的原因进行了讨论.这些结果有助于开发和优化三族氮化物半导体光电器件的进一步研究工作.     

纳米折叠InGaN/GaN LED材料生长及器件特性

在以自组织Ni纳米岛为掩膜制作的n-GaN纳米柱上,利用MOCVD方法外延生长了具有折叠InGaN/GaN多量子阱(MQW)的LED结构外延片,进而制作了LED器件.外延片上中下游的光致荧光测试,结果表明外延片具有很好的均匀性.用该外延片制作的LED的电致发光谱,随注入电流增加没有明显蓝移,这表明纳米结构能更好地释放应力,纳米柱上外延生长的多量子阱,具有较低的压电极化电场.正向工作电流20 mA时,LED器件的工作电压为4.6 V. 关键词： 纳米柱LED 光致发光 电致发光     

InGaN量子点的诱导生长和发光特性研究

降低InGaN的维数是提高GaN基发光器件发光效率的一种非常有效的方法，本文的工作主要集中在高密度InGaN量子点的生长和分析上。在MOCVD设备上，经过钝化和低温两个特殊工艺条件，在高温CaN表面生长了一层低温岛状GaN．形成表面形貌的起伏，进而导致表面应力的不均匀分布。在这一层低温岛状GaN的诱导性作用下生长并形成InGaN量子点。通过原子力显微镜、透射电子显微镜和光致发光谱对其徽观形貌和光学性质进行了观察和研究。从原子力显微镜以及透射电子显微镜观察得到的结果表明：InGaN量子点为平均直径约30nm、高度约25nm、分布较均匀的圆锥，其密度约10^11cm^-2。室温下，InGaN量子点材料的PL谱强度大大超出相同条件生长的InGaN薄膜材料。这些现象表明，用InGaN量子点代替普通InGaN薄膜．有望获得发光效率更高的GaN基发光器件。     

不同In含量InGaN/GaN量子阱材料的变温PL谱

通过对不同In含量的InGaN/GaN量子阱材料的变温光致发光(PL)谱进行实验分析,得出样品激活能和PL谱峰值能量随温度变化的S形曲线中拐点温度与In含量的关系。说明对于我们的样品,这种S形曲线并不是来源于量子限制Stark效应(QCSE),而是与量子阱中In团簇有关。对比结果表明,含In量越多的材料其局域的能量越大,由热扰动脱离局域所需要的温度越高。     

一种用于MOCVD石墨盘的红外测温装置

根据MOCVD (metal organic chemical vapor deposition)在线红外测温的发展需要,结合Thomas Swan CCS MOCVD反应室的结构特征,考虑加热比调节空烧过程的特定条件,设计了一种能够在线监测MOCVD石墨盘上表面温度及径向19个点温度分布的简易940 nm红外测温装置。通过安装于光学视窗上方的红外探头,探测高温石墨盘及外延片的红外辐射强度,根据Planck黑体辐射公式及光谱发射率修正进行测温。红外测温装置主要由可读数轨道、红外探头、连接板以及精密平移台4部分组成。将该装置应用于MOCVD Si(111)衬底上制备InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构外延片加热程序的空烧过程,结果表明:最低能够测量的温度为430℃,700℃~850℃测量误差在2.3℃内,900℃~1 100℃测量误差在1℃内,700℃~1 100℃范围内,重复性均在0.6℃内,无需反射率修正、探孔有效面积校准;能稳定工作。     

InGaN/GaN多量子阱的组分确定和晶格常数计算

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术以蓝宝石为衬底在n型GaN单晶层上生长了InGaN/GaN多量子阱结构外延薄膜，利用高分辨X射线衍射(HRXRD)，卢瑟福背散射/沟道(RBS/channeling)，以及光致发光(PL)技术对InGaN/GaN多量子阱结构薄膜分别进行了平均晶格常数计算、In原子替位率计算和In组分的定量分析.研究表明：InGaN/GaN多量子阱的水平和垂直方向平均晶格常数分别为a_epi=0.3195nm，c_epi=0.5198nm，In原子的替位率为99.3%，利用HRXRD和RBS/channeling两种分析技术计算In的组分分别是0.023和0.026，并与样品生长时设定的预期目标相符合，验证了两种实验方法的准确性；而用室温条件下的光致发光谱(PL)来计算InGaN/GaN多量子阱中In的组分是与HRXRD和RBS/channeling的实验结果相差很大，说明用PL测试In组分的方法是不适宜的. 关键词： InGaN/GaN多量子阱 高分辨X射线衍射 卢瑟福背散射/沟道 光致发光     

InGaN/GaN多量子阱热退火的拉曼光谱和荧光光谱

通过拉曼光谱及荧光光谱测量研究了采用低压金属有机化学沉积(MOCVD)方法生长的InGaN／GaN多量子阱高温快速热退火处理对量子阱光学性质的影响。观测到退火后InGaN／GaN量子阱的拉曼光谱E2,A1(LO)模式的峰位置出现了红移,而且该振动峰的半高宽也有微小变化。温度升高退火效果更明显。退火使量子阱内应力部分消除,同时In,Ga原子扩散出现相分离使拉曼谱表现出变化。在常温和低温下的光荧光谱表明,退火处理的量子阱发光主峰都出现了红移;而且低温退火出现红移,退火温度升高相对低温退火出现蓝移;同时在低温荧光光谱里看到经过退火处理后原发光峰中主峰旁边弱的峰消失了。讨论了退火对多量子阱光学性质的影响。     

优质GaAs/Si和AlGaAs/Si材料的MOCVD生长研究

用自制常压MOCVD装置,在Si衬底上生长GaAs和AlGaAs外延层,在高温去除Si衬底表面氧化膜之后,采用两步法,即低温生长过渡层,再提高温度生长外延层。得到了表面镜面光亮的优质GaAs和AlGaAs外延层。X射线双晶衍射仪测试GaAs外延层,其回摆曲线半峰宽是200孤秒,GaAs和AlGaAs外延层在77K温度下,PL谱半峰宽分别是17meV和24meV。     

基于InGaN量子点的发光二极管载流子复合动力学研究

InGaN半导体材料具有带隙宽度通过改变In组分可调的特点,被广泛应用在新一代光电子器件中,但绿光LED依然存在"绿隙(green gap)"问题有待解决。本文深入研究载流子复合机制,为解决"绿隙"提供新思路。利用光致荧光光谱(PL)和时间分辨光谱(TRPL)研究了不同温度下对应不同光子能量的InGaN量子点(QDs)发光二极管器件的载流子复合动力学过程,得到了InGaN QDs的瞬态光致发光特性和辐射/非辐射复合的瞬态寿命。稳态光致发光谱在15～300 K的温度范围内,峰值出现先蓝移再红移(S-shaped)的偏移现象,发射峰值蓝移约4.2 meV,在60 K时达到最大值,随后发射峰红移,形成随温度呈S形的变化。这种变化说明QDs结构中载流子局域化行为,激子复合是InGaN量子点绿光发射的主要原因。通过拟合不同温度下的归一化PL积分强度,获得激活能E_(act)约为204.07 meV,激活能较高,证明了InGaN量子点具有较强的载流子限制作用,可以更好抑制载流子向非辐射复合中心迁移,内量子效率(internal quantum efficiency)为35.1%。InGaN QDs中自由载流子复合的平均复合寿命τ_(rad)=73.85ns。能量边界值E_(me)=2.34 eV远高于局域深度E_0=62.55 meV,可见能级完全低于迁移率边缘,因此InGaN QDs寿命衰减归因于载流子局域态复合。通过使用改进的光谱数据分析手段对基于内嵌量子点新结构的荧光器件进行研究,得到了有意义的结论,为进一步了解InGaN量子点内部发光机理和研制新一代照明器件提供借鉴,说明引入InGaN量子点对光电器件的发展具有很好的推动作用。