蓝宝石衬底上的半极性面GaN基LED超快激光剥离

衬底导电性和导热性差一直是困扰生长于蓝宝石衬底上的GaN基LED的难题,利用激光剥离技术将蓝宝石衬底上的GaN基LED转移至其他衬底是解决该问题的有效方法之一。本文使用超快皮秒激光将生长于图案化蓝宝石衬底上的半极性面GaN基LED进行衬底剥离,并成功转移至Si衬底,形成垂直结构的LED器件。利用SEM测试发现,当超快激光能量密度在1.3 J/cm^(2)附近可以有效分解蓝宝石和GaN交界层,且对器件产生最小负面损伤。拉曼光谱测试结果表明,剥离后的LED中GaN层的残余应力得到有效释放,从1.42 GPa降低为0.29 GPa。对制备的垂直结构LED进行I-V性能测试,5 V电压下正向电流由0.164 mA增大至0.759 mA,光致发光和电致发光性能均有增强。本文完成了蓝宝石衬底上的半极性面GaN基LED超快激光剥离的实验研究,为实现低损伤、高效率的转移技术的开发提供理论支撑,有望加速半极性面GaN基LED的发展与应用。

Sn对O原子在ZnO(0001)-Zn极性面上吸附影响的第一性原理研究

采用第一性原理系统地研究了Sn原子存在时对ZnO(0001)极性面再吸附原子的影响.计算了Sn、O(Zn)原子吸附在(0001)表面的总能以及在(0001)极性表面存在有Sn、O原子时候再次吸附O、Sn原子的总能.通过比较这几种吸附体系的总能,我们得到:(0001)表面在有Sn原子存在的情况下吸附的O原子比O原子直接在(0001)面上的吸附更加稳定;在Sn原子存在情况下(0001)表面再次吸附原子后的稳定构型是(0001)-O-Sn而不是(0001)-Sn-O,这使得Sn原子恒存在于顶部,起到催化效果.

结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响

基于漂移-扩散传输模型、费米狄拉克统计模型以及Shockley-Read-Hall复合模型等,通过自洽求解薛定谔方程、泊松方程以及载流子连续性方程,模拟研究了材料结构参数对N极性面GaN/InAlN高电子迁移率晶体管性能的影响及其物理机制.结果表明,增加GaN沟道层的厚度(5-15 nm)与InAlN背势垒层的厚度(10-40 nm),均使得器件的饱和输出电流增大,阈值电压发生负向漂移.器件的跨导峰值随Ga N沟道层厚度的增加与InAlN背势垒层厚度的减小而减小.模拟中,各种性能参数的变化趋势均随GaN沟道层与InAlN背势垒层厚度的增加而逐渐变缓,当GaN沟道层厚度超过15 nm、InAlN背势垒层厚度超过40 nm后,器件的饱和输出电流、阈值电压等参数基本趋于稳定.材料结构参数对器件性能影响的主要原因可归于器件内部极化效应、能带结构以及沟道中二维电子气的变化.

Fe掺杂GaN晶体非极性面的光学各向异性研究

本文利用低温光致发光谱(PL)研究了Fe掺杂GaN晶体非极性a面{1120}、m面{1100}的带边峰和Fe^(3+)相关峰(^(4)T_(1)(G)-^(6)A_(1)(S))的偏振发光特性。结果表明:a面与m面光学各向异性差别较小,线偏振光的电矢量E平行于c轴[0001]时(E∥c),GaN带边峰强度最小,而Fe^(3+)零声子峰(1.299 eV)强度最强。带边峰线偏振度小,而Fe^(3+)零声子峰线偏振度大,a面带边峰的线偏振度为26%,Fe^(3+)零声子峰的偏振度在a面和m面分别达到55%和58%。在5 K低温下,进一步测量了Fe^(3+)精细峰和声子伴线的偏振特性,结果表明,除了一个微弱的峰外,其他精细峰和声子伴线与Fe^(3+)零声子峰偏振特性一致。本研究有助于拓展Fe掺杂GaN晶体材料在新型偏振光电器件领域的应用。

极性、半极性和非极性InN薄膜的MOCVD外延生长与表征

利用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术,在不同晶面的蓝宝石(Al2O3)衬底上实现了极性(0002)面、半极性(11-22)面和非极性(11-20)面InN薄膜的外延生长,并通过多种表征手段对三个不同极性面InN薄膜的结构和光学特性进行了系统研究。X射线衍射(XRD)曲线展示了(0002)、(11-22)和(11-20)面InN较强的衍射峰,表明InN薄膜具有较高的成膜质量。通过扫描电子显微镜(SEM)表面图发现,极性(0002)面InN的表面形貌较光滑,而半极性和非极性InN表面均存在未完全合并的孔洞。光致发光(PL)光谱展示,不同极性面InN的峰值能量在0.63 eV附近,并从极性、半极性到非极性逐渐红移。此外,可见-红外分光光度计测得的透射谱显示,极性(0002)面InN的吸收边约为0.85 eV,而半极性(11-22)面和非极性(11-20)面InN的吸收边约为0.78 eV,表明极性InN具有更大的斯托克斯位移。

GaN{11-22}半极性面上生长InGaN/GaN多量子阱的研究

利用选择性横向外延技术生长{11-22}半极性面GaN模板,并利用半极性面模板生长InGaN/GaN多量子阱结构。结果表明,生长出的GaN模板由半极性面{11-22}面和c面组成,多量子阱具有390nm和420 nm的双峰发光特性,局域阴极发光(CL)测试表明390 nm附近的发光峰来源于半极性面上的量子阱发光,而420 nm左右的发光峰源于c面量子阱发光。c面量子阱发光相对于斜面量子阱发光发生显著红移是因为在选择性横向外延生长过程中,In组分相比Ga较易从掩模区域向窗口中心区域迁移,形成了中心高In组分的c面量子阱,而半极性面上InGaN/GaN多量子阱量子限制斯塔克效应相比于极性面会减弱,此外,相同生长条件下半极性面的生长速率低于极性c面的生长速率。

半极性面上生长InGaN/GaN多量子阱结构在LED制备中的应用

利用选择性横向外延生长法可以沿不同的生长方向生长出不同的GaN半极性面,进而可以生长出不同的半极性多量子阱LED结构。这种结构可以实现单芯片LED的多波长发光。结果表明:通过生长模板和生长条件的改变可以控制不同GaN半极性面的形成,从而控制InGaN/GaN多量子阱LED的发光波长从蓝光到绿光甚至是白光可调控。

利用Ni纳米岛模板制备半极性晶面GaN纳米柱

报道了在GaN表面以Ni纳米岛结构作为模板,利用电感耦合等离子(ICP)刻蚀制备GaN纳米柱的研究结果。原子力显微镜(AFM)测试结果表明,金属Ni薄膜在快速热退火(RTA)作用下形成了平均直径和高度大约分别为325 nm和70 nm的纳米岛状结构。通过电子扫描显微镜(SEM)照片看出,以GaN表面所形成的Ni纳米岛作为模板图形,通过控制ICP刻蚀时间,在一定的刻蚀时间内(2 min)获得有序的并拥有半极性晶面的GaN纳米柱阵列。这种新颖的半极性GaN纳米柱作为氮化物量子阱或者超晶格结构的生长模板,可以有效减小甚至消除极化效应,提高光电子器件的效率和性能。

非极性a面p型GaN∶Mn薄膜的结构、形貌和铁磁性质

采用离子注入和快速退火技术制备了稀磁非极性a面p型GaN∶Mn薄膜。通过高分辨X射线衍射、原子力显微镜和超导量子干涉仪等测试手段,对样品的结构、形貌和磁性质进行了分析。测试分析结果表明,在退火过程中生成了对样品的铁磁性质起重要贡献的Mn3Ga相,快速退火过程可以有效恢复离子注入过程对样品的损伤,所得非极性GaN∶Mn退火样品具有室温铁磁特性。

基于三步脉冲生长方法制备的高质量非极性a面AlN模板特性的研究

采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术及三步脉冲生长方法,在半极性r面(22ˉ04)蓝宝石衬底上成功制备了非极性a面(112ˉ0)氮化铝(AlN)模板,并对其结构和光学性质进行了系统研究。与采用传统单一固定温度及单步脉冲方法制备的非极性a面AlN模板相比,本方法制备的非极性a面AlN模板的晶体质量、光学性质和表面形貌均得到较大改善。实际上,通过可变温度及三步脉冲生长方法制备的非极性a面AlN模板,不仅其X射线摇摆曲线和A_(1)(TO)拉曼散射峰的半峰宽均显著减小,且在对应的紫外-可见吸收光谱中也观察到较强的相对透光率和陡峭的吸收边。在5×5μm^(2)的原子力显微镜检测区域内,相应的均方根值最小低至3.4 nm,且非极性a面AlN模板样品呈现优异的表面形貌和较少的表面形变。以上研究结果揭示了采用可变温度及三步脉冲生长方法能够有效地制备高质量的非极性a面(112ˉ0)AlN模板,而该AlN模板在AlGaN基III族氮化物的外延生长中起着至关重要的作用。

非极性a面n-AlGaN外延层的生长与表征

采用金属有机化学气相沉积技术,在半极性蓝宝石衬底上成功生长了具有高电子浓度和良好表面形貌的Si掺杂的非极性a面n-AlGaN外延层。深入研究了铟(In)表面活性剂和无掺杂的AlGaN缓冲层对n-AlGaN的结构特征和电学性能的影响。表征结果表明,利用In表面活性剂和无掺杂的AlGaN缓冲层,非极性a面n-AlGaN外延层的晶体质量的各向异性被有效地抑制,同时显著改善了其表面形貌和电学性能。测得非极性a面n-AlGaN的电子浓度及电子迁移率分别为-4.8×10^(17)cm^(-3)和3.42cm^(2)/(V·s)。

具有不同Al组分的非极性a面p型AlGaN外延层的生长及特性研究

利用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术,在半极性r面蓝宝石衬底上成功生长了具有不同Al组分的非极性a面Mg-δ掺杂的p-AlGaN外延层。通过使用高分辨率X射线衍射仪、原子力显微镜和霍尔效应测试仪等表征方法,系统研究了Al组分从0到41%的非极性a面p-AlGaN外延层的结构与电学性质。特别针对具有较高Al组分的非极性a面p-AlGaN层的外延生长,创新性地研发了一种以金属有机源的流量脉冲供给为特征的MOCVD生长工艺。研究结果表明,在非极性a面p-AlGaN外延层的MOCVD生长过程中采用以金属有机源的流量脉冲供给为特征的MOCVD生长技术,可以显著提高非极性a面p-AlGaN外延层电导率。其中,利用该技术所生长的p-Al0.41Ga0.59N外延层样品的空穴浓度可高达7.0×10^(16)cm^(-3),为制备高发光效率的非极性a面AlGaN基紫外发光二极管打下了坚实的基础。

六方AlN(0001)面极化性质的最大局域化Wannier函数方法研究

采用最大局域化Wannier函数方法,研究了六方AlN(0001)面的电子结构及其极化性质。发现由于表面电荷重新分布及离子移动,表面的极化显著大于体相结构中的极化值。逐层分析表面结构极化性质的变化,发现极化迅速衰减,经过大约10 Å厚度,达到体相结构中的极化值。研究结果对于理解基于AlN的表面吸附以及薄膜科技应用有着指导意义。

A面(11-20)ZnO薄膜中杂质的偏振PL谱研究

本文通过分析A面(11-20)ZnO薄膜的低温PL(光致发光)光谱偏振特性来研究ZnO光致发光谱中杂质峰的来源。低温(4 K)下观察到476、479 nm两处新的杂质峰以及390 nm处激子峰,根据两个杂质峰的偏振特性,初步判定476nm峰来源于氧空位能级到价带轻空穴的跃迁,479 nm峰来源于氧空位价带重空穴的跃迁。

不同形貌ZnO与Cu的相互作用及对醋酸异丙酯加氢性能的影响

采用水热法并通过控制前驱体溶液的浓度合成了不同形貌的盘状和柱状ZnO晶体,并通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、拉曼光谱(Raman)及氢气程序升温还原(H2-TPR)等表征其形貌结构、生长习性及其与Cu之间的相互作用。发现随着前驱体溶液浓度的减小,ZnO晶体结构逐渐延长,六边形极性面直径减小,形状由盘状向柱状转变。然后分别将这些ZnO晶体作为助剂制备了不同形貌的Cu/ZnO催化剂,并用于醋酸异丙酯(IA)加氢合成乙醇和异丙醇的反应。结果发现:ZnO晶体的形貌结构对IA加氢催化性能有明显的影响,盘状Cu/ZnO-a催化剂具有最高的IA转化率和产物选择性;对催化活性与ZnO极性面所占比例进行了关联,得到了较好的线性关系,极性面比例越高,IA转化率越高。这归因于极性面比例较高的ZnO与Cu之间的相互作用更强,活性组分铜的分散更均匀、更容易还原,从而使催化加氢活性更高。

片状ZnO形貌对Co/ZnO催化剂性能影响

采用水热法合成ZnO,并由浸渍法制备Co/ZnO催化剂。利用X-射线衍射、扫描电子显微镜和低温N2-物理吸附等对样品进行表征,由固定床反应装置测试了催化剂的费托合成反应性能。水热合成温度为100℃时,所得ZnO的优势晶面为极性面,他促进了Co/ZnO催化剂的还原,提高了其反应活性,说明Co/ZnO催化剂的费托合成反应性能对ZnO形貌有较强的依赖。

分子束外延碲镉汞薄膜“燕尾”状缺陷

"燕尾"状缺陷是异质外延碲镉汞薄膜中一种形状、朝向统一的典型缺陷,本文对"燕尾"状缺陷的表面形貌、结构及形成机理进行了表征及研究。结果表明,在碲镉汞薄膜表面,"燕尾"状缺陷以两条凸起的"燕尾"边为特征形貌。在碲镉汞薄膜中,"燕尾"状缺陷为倒金字塔结构,由(111)、(111)、(111)、(111)四个底面与(211)表面围成。"燕尾"状缺陷为(552)A孪晶缺陷,(552)A孪晶与(211)A基体间不同的生长速率导致了缺陷的形成。碲镉汞晶体中12个滑移系统间不同的Schmid因子决定了(552)A孪晶成核生长于(111)和(111)面,也决定了"燕尾"状缺陷的表面形貌及结构。

基于GaN微米阵列结构的单芯片白光LED有源区InGaN/GaN多量子阱结构设计

通过模拟仿真对双波长堆叠的c面InGaN/GaN多量子阱(MQWs)发光二级管的载流子浓度、自发辐射复合率以及极化电场等进行了研究。结果表明,通过调节双波长堆叠的InGaN多量子阱的阱层和垒层厚度,可调控载流子特别是空穴在量子阱有源区的分布,实现双波长发光峰比例调制。进而考察了在相同外延条件下生长的半极性面InGaN/GaN堆叠量子阱LED的发光特性。在此基础上,提出基于多波长堆叠InGaN/GaN多量子阱结构的c面和{1011}或{1122}半极性面混合的单芯片白光LED设计方案,通过调节c面发光光谱在混合光谱中的比例,可获得覆盖大部分可见光波段、色温从4500~9000 K可调、且显色指数最高可达91.3的白光。

Zn^(2+)、OH^-物质的量比对ZnO形貌和光催化活性的影响

以乙酸锌[Zn(CH_3COOH)_2·2H_2O]为锌源、乙二醇(EG)作为辅助剂,通过与不同量的NaOH反应得到前躯体,再将前躯体在水热条件下转化为ZnO;采用XRD、SEM、TEM等对前躯体和ZnO产物的晶相和形貌进行了表征。结果表明,水热合成产物都是具有六方纤锌矿结构的ZnO,但随着NaOH加入量的增加,在原料溶液中Zn^(2+)和OH^-的物质的量比分别为1∶1、1∶3、1∶6时,ZnO产物分别呈棒状、颗粒状和片状。测试了ZnO在波长为365 nm光照下降解甲基橙溶液能力,活性次序为:片状ZnO>颗粒状ZnO>棒状ZnO,表明ZnO形貌及其晶面对其光催化活性具有明显影响。