硅基InGaN/GaN多量子阱微盘器件的发光、探测和数据传输

光源和探测器的集成可有效促进轻量化和小型化光电系统的发展,InGaN/GaN多量子阱器件中发光与探测共存现象为收发一体芯片的设计提供了可能。本文采用标准半导体工艺制备了硅片上集成的圆盘形InGaN/GaN多量子阱阵列器件,并对其发光、探测以及基本通信特性进行了研究。微盘型器件中的共振模式有助于提升其探测特性,同时各向同性的辐射特性有助于器件作为光源时与探测器在空间上的耦合。作为光源,该器件的开启电压为2.5 V,中心波长455 nm,-3 dB带宽为5.4 MHz。作为探测器,该器件对紫外到蓝光波段的光有响应,探测性能随波长增加而减弱,截止波长450 nm。在365 nm光源激发下,该器件具有最高开关比7.2×10^(4),下降沿时间为0.41 ms。同时,基于单个微盘器件,本文构建并演示了半双工通信系统,在不同频段实现数据传输。这项研究对于电驱动光源制备以及收发一体的光通信具有重要意义。

超晶格插入层对InGaN/GaN多量子阱的应变调制作用

在InGaN/GaN异质结构量子阱内存在巨大的压电极化场,这严重地削弱了量子阱的发光效率.为了减弱量子阱内的压电极化场,通常引入应变调制插入层提升器件的发光性能.为了研究InGaN/GaN超晶格的应变调制效果和机理,实验设计制备了具有n型InGaN/GaN超晶格插入层的外延结构及其对照样品.变温光致发光谱测试表明引入n型InGaN/GaN超晶格插入层的样品发光波长更短且内量子效率提升,相应的电致发光谱积分强度也显著增加且半宽减小,说明引入超晶格应变插入层可以在一定程度上抑制影响发光效率的量子限制Stark效应.理论计算结果表明:在生长有源区量子阱前引入超晶格应变层,可以削弱有源区量子阱内极化内建电场,减弱有源区量子阱能带倾斜,增加电子空穴波函数交叠,提高发射几率,缩短辐射复合寿命,有利于辐射复合与非辐射复合的竞争,实现更高的复合效率,从而提高发光强度.本文从实验和理论两方面验证了超晶格应变调制插入层可以有效改善器件性能,为器件的结构设计优化指明方向.

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。

双波长InGaN/GaN多量子阱发光二极管的光电特性

为了实现高显色指数和流明效率的白光发光二极管,在(0001)蓝宝石衬底上利用金属有机化学气相沉积系统,生长了双波长发射的InGaN/GaN多量子阱发光二极管结构.通过对不同In组分含量的双波长发射发光二极管结构的光致发光和电致发光性能进行分析,结果表明In组分含量对双波长发射发光二极管的光致发光谱的稳定性及发光效率有重要影响.此外,用双蓝光发射的芯片来激发YAG:Ce荧光粉实现了高显色指数白光发射.

生长温度对InGaN/GaN多量子阱LED光学特性的影响

利用低压MOCVD系统,在蓝宝石衬底上外延生长了InGaN/GaN多量子阱蓝紫光LED结构材料。研究了生长温度对有源层InGaN/GaN多量子阱的合金组分、结晶品质及其发光特性的影响。结果表明当生长温度从730℃升到800℃时,LED的光致发光波长从490 nm移到380 nm,室温下PL谱发光峰的半高全宽从133 meV降到73 meV,表明了量子阱结晶性的提高。高温生长时,PL谱中还观察到了GaN的蓝带发光峰,说明量子阱对载流子的限制作用有所减弱。研究表明,通过改变生长温度可以对LED发光波长及有源层InGaN的晶体质量实现良好的控制。

局域表面等离激元对InGaN/GaN多量子阱发光效率的影响

Ag纳米粒子的形貌对InGaN/Ga N多量子阱(MQWs)的光致发光(PL)效率有着显著影响。本文采用离子束沉积(IBD)技术将Ag沉积在InGaN/Ga N MQWs上,然后通过快速热退火处理制备Ag纳米粒子。通过改变Ag的沉积时间获得了具有不同Ag纳米粒子形貌的样品。用原子力显微镜对各样品的Ag纳米粒子形貌和尺寸进行了表征,并且测试了吸收谱、室温和变温PL谱及时间分辨光致发光(TRPL)谱。结果表明:随着Ag沉积时间的延长,所得Ag纳米粒子粒径增大,粒子纵横比先增大后减小且吸收谱峰红移。由于不同形貌的Ag纳米粒子在入射光作用下产生的局域表面等离激元(LSPs)与MQWs中激子耦合强度不同,光发射能力也不同,与没有Ag纳米粒子的样品相比,沉积时间为15 s的样品室温PL积分强度被抑制6.74倍,沉积时间为25 s和35 s的样品室温PL积分强度分别增强1.55和1.72倍且峰位发生红移,沉积时间为45 s的样品室温PL积分强度基本没有变化。TRPL与变温PL的测试结果证明,室温PL积分强度的改变是由于LSPs与MQWs中的激子耦合作用引起的。纵横比大且吸收谱与MQWs的PL谱交叠大的Ag纳米粒子能够更好地增强InGaN/Ga N MQWs的发光。

InGaN/GaN多量子阱的变温发光特性研究

采用低压金属有机化学沉积方法制备了InGaN/GaN多量子阱。变温PL测量发现,量子阱发光强度具有良好的温度稳定性,随着温度升高(10～300K),发光强度只减小到1/3左右。分析认为,InGaN/GaN多量子阱的多峰发光结构是由多量子阱的组分及阱宽的不均匀引起的。随着温度升高,GaN带边及量子阱的光致发光均向低能方向移动,但与GaN带边不同,量子阱发光峰值变化并不与通过内插法得到的Varshni经验公式相吻合,而是与InN带边红移趋势一致,分析了导致这种现象的可能因素。还分析了量子阱发光寿命随温度升高而减小的原因。

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。

InGaN/GaN多量子阱电池的垒层结构优化及其光学特性调控

InGaN基量子阱作为太阳电池器件的有源区时,垒层厚度设计以及实际生长对其光学特性的影响极为重要。采用金属有机化学气相沉积(MOVCD)技术,在蓝宝石衬底上外延生长了垒层厚度较厚的InGaN/GaN多量子阱,使用高分辨X射线衍射和变温光致发光谱研究了垒层厚度对InGaN多量子阱太阳电池结构的界面质量、量子限制效应及其光学特性的影响。较厚垒层的InGaN/GaN多量子阱的周期重复性和界面品质较好,这可能与垒层较薄时对量子阱的生长影响有关。同时,厚垒层InGaN/GaN多量子阱的光致发光光谱峰位随温度升高呈现更为明显的"S"形(红移-蓝移-红移)变化,表现出更强的局域化程度和更高的内量子效率。

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InGaNGaN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InGaNGaN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。

高分辨率X射线衍射研究InGaN/GaN多量子阱结构In组分及厚度

应用高分辨X射线衍射技术研究了MOCVD在宝石衬底上生长的InGaN/GaN多量子阱结构。测量(105)非对称面的倒易空间图获得量子阱结构的应变状态。由(002)面三轴衍射0级卫星峰峰位结合应变状况计算获得InGaN层中In含量,从(002)面的ω/2θ衍射谱以及小角反射谱获得多量子阱的一个周期的厚度,GaN层和InGaN层的厚度比。最后通过X射线动力学拟合的方法从(002)面的ω/2θ三轴衍射谱获得In的精确含量是25.5%,InGaN势阱层的精确厚度是1.67nm,GaN阻挡层的精确厚度是22.80nm。

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N_(2)载气中引入适量H_(2),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H_(2)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H_(2)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,H_(2)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H_(2)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H_(2)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H_(2)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H_(2)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H_(2)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。

InGaN/GaN多量子阱太阳电池的光电性能研究

对利用In含量为0.3的In Ga N/Ga N多量子阱制作的In Ga N太阳电池的结构和光电性能进行了研究,该太阳电池的In Ga N/Ga N多量子阱结构在一定程度上减轻了In N和Ga N相分离现象.研究结果显示,In Ga N/Ga N多量子阱结构的太阳电池,在单色光波长大于420 nm的工作条件下的光电性能有明显的改善.利用In Ga N/Ga N多量子阱结构制作的In Ga N太阳电池,其开路电压约为2.0 V,填充因子约为60%,在波长420 nm时,外量子效率为40%,但在波长450 nm时,却只有10%.

利用选择性外延法生长单芯片双波长白光InGaN/GaN多量子阱结构

为了制备单芯片无荧光粉白光InGaN/GaN多量子阱发光结构,利用选择性外延生长法在SiO2条纹掩膜板上生长出具有梯形形貌的GaN微面结构,并在该GaN微面结构上生长InGaN/GaN多量子阱结构,最终在单芯片上获得了双波长发光.结果表明:梯形GaN微面由(0001)和(11-22)面组成,两者的表面能和极性不同,并且在InGaN/GaN多量子阱生长过程中,In原子和Ga原子迁移速率不同,从而使得(0001)和(11-22)面上的多量子阱具有不同的发光波长;该性质可以使(11-22)面的微面量子阱发出蓝光(峰值波长为420nm),而(0001)面的量子阱发出黄光(峰值波长为525nm),最终形成双波长的复合白光外延结构.

基于InGaN/GaN多量子阱双波长发光二极管生长及发光性能

对基于InGaN/GaN量子阱的蓝绿双波长发光二极管的材料生长和发光性质进行了研究.通过设计生长多组具有不同参量的外延结构,获得了优化的双波长量子阱结构参量,指出量子阱位置的分布、蓝绿阱间垒的宽度以及材料构成对量子阱发光性能均有较大影响.对双波长发光二极管器件光学性质进行了研究,结果表明,InGaN/GaN量子阱发光更依赖于In团簇形成的局域激子发光,从而导致了小电流下的反常光学现象.通过数值计算材料内部极化场的强度,对波长漂移的原因进行了解释,并通过双波长发光效率拟合分析了发光二极管"droop"效应可能的产生机理.

极化效应对InGaN/GaN多量子阱结构光电特性的影响

通过求解修正的基于k.p方法的有效质量哈密顿方程并与泊松方程进行自洽,得到在极化效应影响下InGaN/GaN多量子阱的能带结构和自发辐射谱。计算结果表明,极化效应使InGaN/GaN多量子阱结构的带边由方形势变成三角形势,使导带和价带间的带隙宽度减小导致发光峰值波长红移,并使电子和空穴的分布产生空间分离从而减小发光效率。同时,随着InGaN/GaN多量子阱结构阱层In组分的增多或阱层宽度的增加,极化效应带来的发光峰值波长红移效果进一步增强。

阱宽和垒厚对InGaN/GaN多量子阱结构光电特性的影响

通过求解修正的基于k.p方法的有效质量哈密顿方程并与泊松方程进行自洽,得到在极化效应影响下的不同阱宽和垒厚的InGaN/GaN多量子阱导带和价带的能带结构,并计算了不同多量子阱结构的自发辐射谱。仿真结果表明:阱宽和垒厚对InGaN/GaN多量子阱结构的光电子学特性有很大的影响。随着阱宽和垒厚的增加,InGaN/GaN多量子阱结构的辐射峰值波长出现一定程度的红移,辐射强度也有所降低。极化效应产生的极化电场能够减小InGaN/GaN多量子阱结构导带和价带间的带隙宽度,并使电子和空穴的分布产生空间分离。与不考虑极化效应的结果对比得出,在极化效应的影响下,InGaN/GaN多量子阱结构的光电子学特性对阱宽和垒厚的依赖性增强。

垒层厚度对InGaN/GaN多量子阱电注入发光性能的影响及机理

研究了不同垒厚对InGaN/GaN多量子阱电注入发光性能的影响及机理。实验发现,当GaN垒层的厚度从6 nm增大到24 nm时,垒厚的样品发光强度更强,而且当注入电流增加时,适当增加垒厚,可以更显著增加发光强度。进一步结合发光峰位和光谱宽度的研究表明,由于应力和极化效应的存在,当垒层厚度在6~24nm范围内时,适当增加垒层厚度不仅会使得能带的倾斜加剧,减少电子泄露,而且也会增加InGaN阱层的局域态深度,从而改善量子阱的发光性能。

InGaN/GaN多量子阱蓝光LED外延片的变温光致发光谱

利用MOCVD在Al2O3(0001)衬底上制备InGaN/GaNMQW结构蓝光LED外延片。以400mW中心波长405nm半导体激光器作为激发光源,采用自主搭建的100~330K低温PL谱测量装置,以及350~610K高温PL测量装置,测量不同温度下PL谱。通过Gaussian分峰拟合研究了InGaN/GaNMQW主发光峰、声子伴线峰、n-GaN黄带峰峰值能量、相对强度、FWHM在100~610K范围的温度依赖性。研究结果表明:在100~330K温度范围内,外延片主发光峰及其声子伴线峰值能量与FWHM温度依赖性,分别呈现S与W形变化;载流子的完全热化分布温度约为150K,局域载流子从非热化到热化分布的转变温度为170~190K;350~610K高温范围内,InGaN/GaNMQW主发光峰峰值能量随温度变化满足Varshni经验公式,可在MOCVD外延生长掺In过程中,通过特意降温在线测PL谱,实时推算掺In量,在线监测外延片生长。以上结果可为外延片的PL发光机理研究、高温在线PL谱测量设备开发、掺In量的实时监测等提供参考。

InGaN/GaN多量子阱中的深能级表征分析

采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)方法在蓝宝石衬底上生长的In GaN/GaN多量子阱(MQW)结构中存在大量的深能级,电子空穴在多量子阱中复合发光时,深能级作为非辐射复合中心降低发光二极管(LED)内量子效率。通过稳态光电容(SSPC)和光电容(LCV)的测量方法,对比了在垒中掺杂Si和垒中没有掺杂样品的量子阱区域不同位置的深能级浓度和能级。测量结果表明,垒掺杂Si浓度为4×1017cm-3的样品的MQW的深能级密度比垒中没有掺杂的样品低一个数量级。利用变激发强度光致发光谱和发光强度来评估MQW的性能,测试结果表明,垒中掺杂Si可抑制深能级。MQW中深能级浓度影响发光效率,深能级缺陷浓度越小,MQW的发光效率越高。