InGaN/GaN量子阱悬空微盘发光二极管

设计并制备了三种不同结构的电泵浦InGaN/GaN量子阱微盘发光器件,对其光增益和光损耗进行了分析和优化。以p型层的结构为分类标准,器件Ⅰ为圆柱形;器件Ⅱ为器件Ⅰ的悬空结构;器件Ⅲ是悬空的圆环形结构。实验和仿真结果表明,三种器件结构中,器件Ⅱ的结果最好。电极布局为内p外n型的圆柱形器件表面电流分布能够保证发光区和微腔高增益区重合,悬空结构能够降低微盘在垂直方向上的光损耗,有利于更好的光学增益。考虑到共振模式,器件Ⅱ在注入电流大于0.7 mA时,器件Ⅱ实现了峰值波长为408.2 nm、半峰宽为2.62 nm的振荡模式输出。这种电泵浦InGaN/GaN量子阱悬浮微盘二极管器件的设计思路对电泵浦微盘或微环激光器的研制具有重要参考意义。

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。

MOVPE生长的InGaN/GaN单量子阱的光致发光和光吸收特性(英文)

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<3 nm时,随着样品InGaN势阱层宽度的增加(1 nm),光致发光(PL)谱的发光峰值波长出现明显的红移33 nm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(1.5 nm)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。

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。

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。

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。

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.

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。

InGaN/GaN量子阱垒层和阱层厚度对GaN基激光器性能的影响及机理

采用LASTIP软件研究了InGaN/GaN(In组分为15%)量子阱垒层和阱层厚度对GaN基蓝紫光激光器性能的影响及机理.模拟计算结果表明,当阱层太薄或太厚时,GaN基激光器的阈值电流增加、输出功率下降,最优的阱层厚度为4.0 nm左右;当阱层厚度太薄时,载流子很容易泄漏,而当阱层厚度太厚时,极化效应导致发光效率降低,研究还发现,与垒层厚度为7 nm相比,垒层厚度为15 nm时激光器的阈值电流更低、输出功率更高,因此适当地增加垒层厚度能显著抑制载流子泄漏,从而改善激光器性能.

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。

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。

红橙光InGaN/GaN量子阱的结构与光学性质研究

采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术生长了具有高In组分InGaN阱层的InGaN/GaN多量子阱(MQW)结构,高分辨X射线衍射(HRXRD)ω-2θ扫描拟合得到阱层In含量28%。比较大的表面粗糙度表明有很大的位错密度。室温下光致荧光(PL)研究发现该量子阱发射可见的红橙光,峰位波长在610 nm附近。变温PL(15～300 K)进一步揭示量子阱在低温下有两个发光机制,对应的发射峰波长分别为538 nm和610 nm。由于In分凝和载流子的局域化导致的载流子动力改变,使得量子阱PL发光峰值随温度增加呈明显的"S"变化趋势。

InGaN/GaN量子阱结构的应变状态与微结构、物理性能关系的研究

应变普遍存在于失配系统中,包括晶格、热膨胀系数以及扩散系数等失配,其状态即应变是否弛豫及弛豫程度与物理性能密切相关。量子阱或超晶格的晶格应变弛豫发生的临界厚度问题是关系到器件设计、材料制备的基本问题,虽然从理论上已提出了多种计算模型,但不同的模型所计算出的结果差别很大,且不同的模型所使用的范围尚不确定。这就激发了从实验上予以研究的要求。另外,含N的III V族究竟适用何种模型尚无定论,且对其弛豫行为以及对性能的影响缺乏细致的研究。本文应用高分辨X射线衍射和透射电子显微技术研究了InGaN GaN量子阱结构的应变弛豫临界厚度、行为以及对物理性能的影响。得出InGaN GaN量子阱结构的应变弛豫临界厚度更适合基于介稳外延半导体结构应变弛豫的Fischer模型;失配位错为纯刃型位错,可通过滑移面的改变而形成穿透位错;弛豫发生后,非常明显地影响发光性能,尤其是室温下的发光性能。

线性分布的In组分对紫色InGaN/GaN单量子阱发光特性的影响

采用数值模拟的方法研究了具有相同的平均In组分,但In组分的分布不同的3个紫色InGaN/GaN单量子阱样品的光谱特性。通过分析样品的电致发光谱、能带结构、波函数交叠以及载流子浓度分布等,发现沿生长方向阱内In组分线性增加的单量子阱样品的发光效率最高,而In组分线性减小的样品发光效率最低。这是因为In组分的线性增加能够减弱极化场对价带的影响,使阱内价带变得更加平缓。这不仅降低了空穴的注入势垒高度、增大了阱中的空穴浓度,还增强了阱内电子-空穴波函数的交叠积分,提高了辐射复合几率,从而使In组分线性增加的量子阱的发光效率显著提高。

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.

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量子阱动力学特征分析

采用单量子阱近似模型 ,对 In Ga N/ Ga N量子阱中的激子和电子在导带子带间跃迁的光吸收效应进行了理论分析和数值计算 .结果表明 ,In的含量对激子的能量影响较大 ,而量子阱宽度的变化也对激子的能量有着微调作用 ;导带中电子从基态至第一激发态跃迁的吸收峰比较明显 ;随着 In的含量增加 ,量子阱中的激子能量间隔增大 ,吸收谱线的峰值位置会发生蓝移 .

单量子阱InGaN/GaN势垒高度与LED光电性能关系研究

通过对In_xGa_(1-x)N掺杂不同组份的In来改变In_xGa_(1-x)N的禁带宽度,从而改变量子阱势垒高度,并研究其与发光二极管光电性能、效率下降之间的关系、通过仿真模拟实验研究了不同量子阱势垒高度与InGaN/GaN量子阱发光二极管的功率光谱密度、内量子效率、发光功率及复合率之间的关系、分析结果表明:1)In含量与发光二极管的光电性能并非成线性关系。2)在电流密度较低时,In组份越小,光谱密度峰值越大,发光功率越大、3)在电流密度较大时,In组份越大,光谱密度峰值越大,发光功率越大、4)光谱蓝移与电流密度大小紧密相关,电流密度大的蓝移程度大,反之越小、因此,应根据不同的电流密度来选择In组份的大小,从而提高发光效率、

InGaN／GaN多量子阱太阳电池的研制及特性研究

利用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上生长了InGaN/GaN多量子阱外延结构,高分辨率X射线衍射测量结果显示,量子阱结构界面清晰,周期重复性很好,InGaN阱层的In组分约为0.2。利用该外延结构制备的InGaN/GaN多量子阱太阳电池的开路电压为2.16V,转换效率达到了0.64%。器件的I-V测量结果显示,在光照条件下,曲线的正向区域存在一明显的"拐点"。随着聚光度的减小,I-V曲线的"拐点"逐渐向高电压区域移动,同时器件的开路电压也随之急剧下降。通过与理论计算对比,发现器件开路电压的下降幅度明显大于理论计算值。进一步分析表明,InGaN量子阱的极化效应不仅是I-V曲线产生拐点以及器件开路电压下降过快的主要原因,也是影响氮化物太阳电池性能的关键因素之一。

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。