高Al组分Ⅲ族氮化物结构材料及其在深紫外LED应用的进展

随着高 Ga 组分Ⅲ族氮化物相关研究的日趋深入和生长技术的日益成熟,人们逐渐将研究重心转向具有更宽带隙的高 Al 组分Ⅲ族氮化物.该材料常温下带隙宽至6.2 eV,可覆盖短至210 nm 的深紫外波长范围,具有耐高温、抗辐射、波长易调控等独特优点,因而是制备紫外发光器件的理想材料.目前,高 Al 组分Ⅲ族氮化物材料质量不高,所制备的深紫外 LED 发光器件仍存在内量子效率、载流子注入效率和沿 c 轴方向正面出光效率较低的难题,因而制约了高效紫外发光器件的制备.本文着重介绍了近年来在高 Al 组分Ⅲ族氮化物生长动力学方面的研究进展,总结和梳理了量子结构设计、内电场调控以及晶体场调控等方面的相关研究,以期实现高质量深紫外 LED 的制备.     

单根镓掺杂氧化锌微米线异质结基高亮黄光发光二极管EI北大核心CSCD

基于半导体低维微纳结构构筑的可见光发光器件,特别是位于500~600 nm波段的黄绿光光源,因具有较高的发光效率、长寿命和低功耗等特点,在超高分辨率显示与照明、单分子传感和成像等领域有着广泛的应用价值。由于高性能低维黄绿色发光器件在发光材料制备、器件结构以及发光器件的“Green/yellow gap”和“Efficiency droop”等方面受到严重限制,极大地影响了低维微纳结构黄绿光发光器件的开发和应用。本文采用单根镓掺杂氧化锌(ZnO∶Ga)微米线和p型InGaN衬底构筑了异质结基黄光发光二极管,其输出波长位于580 nm附近,半峰宽大约为50 nm。随注入电流的增加,光谱的峰位和半峰宽几乎没有任何变化,也没有观察到InGaN基光源中常见的量子斯塔克效应。器件相应的色坐标始终处于黄光色域范围。更为重要的是,器件的外量子效率在大电流注入下并没有出现较大的下降。结合单根ZnO∶Ga微米线和InGaN的光致发光光谱,以及n-ZnO∶Ga/p-InGaN异质结能带结构理论,可以推断该制备器件的发光来自于ZnO∶Ga微米线和InGaN结区界面处载流子的辐射复合,器件的Droop效应得到明显抑制。实验结果表明,n-ZnO∶Ga微米线/p-InGaN异质结可用于制备高性能、高亮度的低维黄光发光二极管。     

N型掺杂应变Ge发光性质

应变锗材料具有准直接带特性,而且与标准硅工艺兼容,成为实现硅基发光器件重要的候选材料之一.本文基于vandeWalle形变势理论,计算了应变情况下半导体Ge材料的能带结构以及载流子在导带中的分布;通过分析载流子直接带和间接带间的辐射复合以及俄歇复合、位错等引起的非辐射复合的竞争,计算了N型掺杂张应变Ge材料直接带跃迁的内量子效率和光增益等发光性质.结果表明,张应变可有效增强Ge材料直接带隙跃迁发光.在1.5%张应变条件下,N型掺杂Ge的最大内量子效率可以达到74.6%,光增益可以与III-V族材料相比拟.     

半导体带间级联激光器研究进展

半导体带间级联量子阱是实现3~5μm波段中红外激光器的重要前沿,其在半导体光电器件技术、气体检测、医学医疗以及自由空间光通信等诸多领域具有重要科学意义和应用价值。半导体带间级联量子阱发光机理是以二类量子阱中的电子与空穴的带间辐射复合发光为主导,再通过电子注入区与空穴注入区形成级联放大,实现多个量子阱周期内电子与空穴的重复利用。本文综述了半导体带间级联激光器从提出能带结构、外延材料到器件制备技术的发展历程,剖析了器件结构各功能区基本概念和工作原理,介绍了器件结构设计与制备工艺技术难点的里程碑突破,详细解释了载流子再平衡、分别限制层等设计,最后展望了半导体带间级联激光器的发展方向和趋势。     

高Al组分AlGaN多量子阱结构材料发光机制探讨

紫外LED的发光功率和效率还远不能令人们满意,波长短于300 nm的深紫外LED的发光效率普遍较低。厘清高Al组分Al Ga N多量子阱结构的发光机制将有利于探索改善深紫外LED的发光效率的新途径、新方法。为此,本文通过金属有机气相外延技术外延生长了表面平整、界面清晰可辨且陡峭的高Al组分AlGa N多量子阱结构材料,并对其进行变温光致发光谱测试,结合数值计算,深入探讨了Al Ga N量子阱的发光机制。研究表明,量子阱中具有很强的局域化效应,其发光和局域激子的跳跃息息相关,而发光的猝灭则与局域激子的解局域以及位错引起的非辐射复合有关。     

高效InGaN/AlInGaN发光二极管的结构设计及其理论研究（英文）

利用Advanced Physical Models of Semiconductor Devices(APSYS)理论对比研究了InGaN/AlInGaN和InGaN/GaN多量子阱作为有源层的InGaN基发光二极管的结构和电学特性。与InGaN/GaN基LED中GaN作为垒层材料相比,在AlInGaN材料体系中,通过调节AlInGaN中Al和In的组分可以优化器件的性能。当InGaN阱层材料中In组分为8%时,可以实现无应力的In0.08Ga0.92N/AlInGaN基LED。在这种无应力结构中可以进一步降低大功率LED的"效率下降"(Effciency droop)问题。理论模拟结果显示,四元系AlInGaN作为垒层可以进一步减少载流子泄露,增加空穴注入效率,减少极化场对器件性能的影响。在In0.08Ga0.92N/AlInGaN量子阱中的载流子浓度、有源层的辐射复合率、电流特性曲线和内量子效率等方面都优于InGaN/GaN基LED。无应变AlInGaN垒层代替传统的GaN垒层后,能够得到高效的发光二极管,并且大电流注入下的"效率滚降"问题得到改善。     

Si(110)和Si(111)衬底上制备InGaN/GaN蓝光发光二极管

分别在Si(110)和Si(111)衬底上制备了In Ga N/Ga N多量子阱结构蓝光发光二极管(LED)器件.利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、室温拉曼光谱和变温光致发光谱对生长的LED结构进行了结构表征.结果表明,相对于Si(111)上生长LED样品,Si(110)上生长的LED结构晶体质量较好,样品中存在较小的张应力,具有较高的内量子效率.对制备的LED芯片进行光电特性分析测试表明,两种衬底上制备的LED芯片等效串联电阻相差不大,在大电流注入下内量子效率下降较小;但是,相比于Si(111)上制备LED芯片,Si(110)上LED芯片具有较小的开启电压和更优异的发光特性.对LED器件电致发光(EL)发光峰随驱动电流的变化研究发现,由于Si(110)衬底上LED结构中阱层和垒层存在较小的应力/应变而在器件中产生较弱的量子限制斯塔克效应,致使Si(110)上LED芯片EL发光峰随驱动电流的蓝移量更小.     

掺Fe高阻GaN缓冲层特性及其对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件的影响研究

利用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上制备了掺Fe高阻Ga N以及Al Ga N/Ga N高电子迁移率晶体管(HEMT)结构.对Cp_2Fe流量不同的高阻Ga N特性进行了研究.研究结果表明,Fe杂质在Ga N材料中引入的Fe~(3+/2+)深受主能级能够补偿背景载流子浓度从而实现高阻,Fe杂质在Ga N材料中引入更多起受主作用的刃位错,也在一定程度上补偿了背景载流子浓度.在一定范围内,Ga N材料方块电阻随Cp_2Fe流量增加而增加,Cp_2Fe流量为100 sccm(1 sccm 1mL min)时,方块电阻增加不再明显;另外增加Cp_2Fe流量也会导致材料质量下降,表面更加粗糙.因此,优选Cp_2Fe流量为75 sccm,相应方块电阻高达×10?/,外延了不同掺Fe层厚度的Al Ga N/Ga N HEMT结构,并制备成器件.HEMT器件均具有良好的夹断以及栅控特性,并且增加掺Fe层厚度使得HEMT器件的击穿电压提高了39.3%,同时对器件的转移特性影响较小.     

基于溶液加工小分子材料发光层的有机-无机复合发光器件

报道了基于溶液加工有机小分子材料发光层、聚乙烯亚胺电子注入层的有机-无机复合发光器件. 优化了空穴传输层和磷光染料的掺杂浓度, 得到最佳发光效率的器件. 蓝光、黄光和红光器件的最大外量子效率为17.3%, 10.7% 和7.3%. 在发光亮度为1000 cd/m² 时, 蓝光、黄光和红光器件的外量子效率分别为17.0%, 10.6% 和5.8%, 器件效率下降较小. 原因在于同时采用空穴传输型和电子传输型的小分子材料作为共同主体材料, 器件具有较宽的载流子复合区域, 降低了三线激发态-三线激发态湮灭和三线激发态-极化子相互作用对器件发光效率的影响. 白光器件在亮度为1000 cd/m²时, 发光效率和功率效率为31 cd/A和 14.8 lm/W. 器件的色度为(0.32, 0.42), 色度比较稳定, 随电流的变化微小. 器件的效率较以往报道的有机-无机复合发光器件有显著的提高, 主要归因于在聚乙烯亚胺上能够制备特性良好的小分子材料薄膜, 以及小分子主体材料拥有较高的三线态能量和平衡的载流子传输特性, 能够获得高效的磷光发射.     

In_(0.53)Ga_(0.47)As光电探测器量子效率的理论仿真分析

研究了材料参数对In0.53Ga0.47As光电探测器量子效率的影响。分析发现量子效率的变化主要取决于入射光的方向,P区与N区载流子浓度以及各区的表面复合速度和厚度。当光从P区入射时,P区载流子的表面复合速度、载流子浓度以及厚度对量子效率均产生极大的影响。N区材料参数对量子效率也有轻微的影响。在高载流子浓度范围内(n1017cm-3),表面复合速度和厚度是主要影响因素。当光从N区入射时,载流子浓度n1017cm-3时,N区表面复合速度为影响量子效率的主要因素;而当载流子浓度n1016cm-3时,对量子效率产生影响的主要因素为材料厚度。     

TiberCAD: A new multiscale simulator for electronic and optoelectronic devices

In the last years GaN-based heterostructures have attracted much attention for their application as optoelectronic devices. The strain due to lattice mismatch of the constituent materials plays a crucial role in the behaviour of these structures, especially if they are of reduced dimensions, as e.g. nanocolumns. We show an implementation of a new device simulator which accounts for strain-related effects and quantum mechanical properties and couples them with the transport of the quasi-particles in the system. Simulations of an AlGaN/GaN nanocolumn LED are reported as an example.     

金刚石紫外发光器件研究进展

蓝光或紫外激光在光电子学和光储存方面有广阔的应用，一直是国际上关注的前沿领域．而金刚石是最好的半导体紫外发光材料．特别是用于高温、高压、高功率、强辐射和强腐蚀环境中更能显示其优越性．目前人们已在实验上用同质外延、异质外延的方法制备了金刚石紫外发光二极管，观察到了较强的紫外光发射．人们尝试用金刚石与其他半导体材料结合的方法，成功地研制出了金刚石紫外发光二极管，开拓了该研究领域最新研究方向．文章对这些金刚石紫外发光器件研究的最新进展进行了评述．     

GaN/AlGaN双带红外探测及光子频率上转换研究

研究了GaN/AlGaN异质结构中的双带（中、远）红外探测及光子频率上转换特性.通过光致发光光谱确认GaN/AlGaN探测器结构中AlGaN本征层的Al组分,讨论了不同Al组分GaN/AlGaN异质结的导带带阶界面功函数差.在拟合单周期GaN/AlGaN探测器中红外和远红外波段响应谱的基础上,研究多周期GaN/AlGaN探测器与GaN/AlGaN发光二极管集成结构的中红外和远红外光子频率上转换效率与GaN发射层厚度、AlGaN本征层厚度、紫光光子出射效率、内量子效率、空间频率和发射层掺杂浓度间的关系,优化 关键词： 双带红外探测 光子频率上转换 响应谱 GaN/AlGaN     

Dielectric mismatch effect on the photoionization cross section and intersublevel transitions in GaAs nanodots

A theoretical study of the electronic states in a spherical quantum dot with and without a hydrogenic impurity is performed within the effective mass approximation taking into account the dielectric mismatch effect. By considering the joint action of the quantum confinement and polarization charges, the photoionization cross section for an on-center donor and intersublevel optical absorption are investigated. We found that: i) the subband energies increase while the 1s and 2p impurity levels decrease when the dielectric mismatch between the dot and its environment enhances; ii) the dielectric mismatch has a significant effect on the peak position and magnitude of the photoionization cross section so that the behavior of this quantity can indicate the material in contact with the nanostructure; iii) the absorption spectrum is less sensitive to the environment dielectric properties but it significantly depends on the dot radius as well as on the impurity presence. The possibility of tuning the resonant energies by using the combined effect of the quantum confinement and dielectric mismatch between the dot and the surrounding medium can be useful in designing new optoelectronic devices.     

二维过渡金属硫族化合物中的缺陷和相关载流子动力学的研究进展

原子级厚度的单层或者少层二维过渡金属硫族化合物因其独特的物理特性而被寄希望成为下一代光电子器件的重要组成部分。然而,二维材料的缺陷在很大程度上影响着材料的性质。一方面,缺陷的存在降低了材料的荧光量子效率、载流子迁移率等重要参数,影响了器件的性能。另一方面,合理地调控和利用缺陷催生了单光子源等新的应用,因此,表征、理解、处理和调控二维材料中的缺陷至关重要。本文综述了二维过渡金属硫族化合物中的缺陷以及缺陷相关的载流子动力学研究进展,旨在梳理二维材料中的缺陷及其超快动力学与材料性能之间的关系,为二维过渡金属硫族化合物材料特性和高性能光电子器件的相关研究提供支持。     

半导体材料的华丽家族—氮化镓基材料简介

GaN基氮化物材料已成功地用于制备蓝,绿,紫外光发光器件,日光盲紫外探测器以及高温,大功率微波电子器件,由于该材料具有大的禁带宽度,高的压电和热电系数,它们还有很强的其他应用潜力,诸如做非挥发存储器以及利用压电和热效应的电子器件等,在20世纪80年代末和90年代初,在GaN基氮化物材料的生长工艺上的突破引发了90年代GaN基器件,特别是光电子和高温,大功率微波器件方面的迅猛发展,文章评述了GaN基氮化物的材料特性,生长技术和相关器件应用。     

Optimization of a GaN-based irregular multiple quantum well structure for a dichromatic white LED

GaN-based irregular multiple quantum well(IMQW) structures assembled two different types of QWs emitting complementary wavelengths for dichromatic white light-emitting diodes(LEDs) are optimized in order to obtain near white light emissions.The hole distributions and spontaneous emission spectra of the IMQW structures are analysed in detail by fully considering the effects of strain,well-coupling,valence band-mixing and polarization effect through employing a newly developed theoretical model from the k · p theory.Several structure parameters such as well material component,well width,layout of the wells and the thickness of barrier between different types of QWs are employed to analyse how these parameters together with the polarization effect influence the electronic and the optical properties of IMQW structure.Numerical results show that uniform hole distributions in different types of QWs are obtained when the number of the QWs emitting blue light is two,the number of the QWs emitting yellow light is one and the barrier between different types of QWs is 8nm in thickness.The near white light emission is realized using GaN-based IMQW structure with appropriate design parameters and injection level.     

硅基底石墨烯器件的现状及发展趋势

石墨烯是一种由单层碳原子紧密排列而形成的具有蜂窝状结构的二维晶体材料,特殊的结构赋予了其优异的性能,如高载流子迁移率、电导率、热导率、力学强度以及量子反常霍尔效应.由于石墨烯优异的特性,迅速激起了人们对石墨烯研究以及应用的热情.石墨烯沉积或转移到硅片后,其器件构建与集成和传统硅基半导体工艺兼容.基于石墨烯的硅基器件与硅基器件的有机结合,可以大幅度提高半导体器件的综合性能.随着石墨烯制备工艺和转移技术的优化,硅基底石墨烯器件将呈现出潜在的、巨大的实际应用价值.随着器件尺寸的纳米化,器件的发热、能耗等问题成为硅基器件与集成发展面临的瓶颈问题,石墨烯的出现为解决这些问题提供了一种可能的解决方案.本文综述了石墨烯作为场效应晶体管研究的进展,为解决石墨烯带隙为零、影响器件开关比的问题,采用了量子限域法、化学掺杂法、外加电场调节法和引入应力法.在光电器件研究方面,石墨烯可以均匀吸收所有频率的光,其光电性能也受到了广泛的关注,如光电探测器、光电调制器、太阳能电池等.同时,石墨烯作为典型的二维材料,其优越的电学性能以及超高的比表面积,使其作为高灵敏度传感器的研究成为纳米科学研究的前沿和热点领域.     

Effect of AlGaN interlayer on luminous efficiency and reliability of GaN-based green LEDs on silicon substrate

The effect of AlGaN interlayer in quantum barrier on the electroluminescence characteristics of GaN-based green light emitting diodes(LEDs)grown on silicon substrate was investigated.The results show that AlGaN interlayer is beneficial to improve the luminous efficiency of LED devices and restrain the phase separation of In GaN.The former is ascribed to the inserted AlGaN layers can play a key role in determining the carrier distribution and screening dislocations in the active region,and the latter is attributed to the increased compressive stress in the quantum well.However,when the electrical stress aging tests were performed at a current density of 100 A/cm^2,LED devices with AlGaN interlayers are more likely to induce the generation/proliferation of defects in the active region under the effect of electrical stress,resulting in the reduced light output power at low current density.     

Multiwavelength GaN-Based Surface-Emitting Lasers and Their Design Principles

Dual-wavelength lasing operations are demonstrated in GaN-based vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) comprising ingeniously designed asymmetric InGaN quantum wells (AS-QWs). The dual laser modes show exact positive-correlated polarization dependences with a high degree of polarization of up to 98%. By simply tuning the pump energy, the components and intensity of the laser outputs can be continuously changed, making wavelength selection and switching available for the GaN-based VCSELs. Detailed theoretical analysis and experimental measurements show that the intensity of optical gain and the coupling between the active layer and optical field, namely the electron–photon interaction, as well as carrier tunneling and photon reabsorption play a crucial role in the multiwavelength lasing processes. Moreover, the design principles of the proposed AS-QWs and multistacked size-varied quantum dot (MS-QD) active regions are elaborated to provide guidelines for controllable multiwavelength emissions in GaN-based surface-emitting lasers. These results not only provide better understanding of lasing in nitride-based microcavity systems but also shed insight into the more fundamental issues of electron–photon coupling in such systems. Importantly, such controllable multiwavelength laser operations may extend nitride-based VCSELs to previously inaccessible areas, for example, flip-flop, ultrafast switches, and other functional devices such as Raman lasers and sensors.