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。

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多量子阱蓝光发光二极管老化过程中的光谱特性

系统地研究了小注入电流(<4mA)下InGaN/GaN多量子阱结构蓝光发光二极管的发光光谱特性在老化过程中的变化。对比老化前后的电致发光(EL)光谱,发现在注入电流1mA下的峰值波长(peak wavelength)和半高宽(FWHM)随老化时间增加而减小,变化过程分两个阶段:前期(<100h)减小速度较快,而后逐渐变缓,呈现出与LEDs的发光光功率一致的变化规律,说明LEDs的等效极化电场在老化过程中减弱,这一变化和量子阱内缺陷的增加有明确的关系。通过电学特性测量发现同一结电压(Vj=1.8V)下的结电容Cj和由交流小信号I—V方法计算得到的注入电流1mA下的结电压Vj随老化时间增加而增大,明确了在同等小注入电流下量子阱内的载流子浓度随老化过程增加。分析表明在老化过程中InGaN/GaN多量子阱结构蓝光发光二极管量子阱内的缺陷及其束缚的载流子数量增加,形成了增强的极化电场屏蔽效应,减弱的等效极化电场导致了量子阱的能带倾斜变小,带边辐射复合能量增大,能态密度增多,对应的发光过程的峰值波长变短(蓝移),半高宽变窄。

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。

低温近场光学显微术对InGaN/GaN多量子阱电致发光温度特性的研究

使用实验室自制的低温近场光学显微镜研究了InGaN/GaN多量子阱发光二极管在室温和液氮温度下的近场光学像和近场光谱,发现随着温度的降低,不仅近场光学像的光强起伏大大减小,量子阱发光峰先蓝移后红移,而且在液氮温度下在光子能量更高的位置上出现了新的发光峰.通过对实验结果的分析,我们将这个新出现的峰归结为p-GaN层中导带底-受主能级间跃迁形成.

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aepi=0.3195nm,cepi=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.

垒掺In提高InGaN/GaN多量子阱发光特性

利用金属有机物化学气相淀积技术在蓝宝石衬底上生长InGaN/GaN多量子阱结构.对多量子阱垒层掺In和非掺In进行了比较研究,结果表明,垒掺In的样品界面质量变差,但明显增加了光致发光谱的峰值强度和积分强度,带边峰与黄光峰强度之比增大,降低了表面粗糙度.利用这两种结构制备了相应的发光二极管(LED)样品.通过电荧光测量可知,垒掺In的LED比非掺In的LED有较高的发光强度和相对均匀的波长,这主要是由于垒掺In后降低了阱与垒之间晶格失配的应力,从而降低了极化电场,提高了辐射复合效率.

In源流量与Ⅲ族流量之比对InGaN/GaN多量子阱性质的影响

利用x射线三轴晶衍射和光致发光谱研究了生长参数In源流量与Ⅲ族流量之比对InGaN GaN多量子阱结构缺陷 (如位错密度和界面粗糙度 )和光致发光的影响 .通过对 (0 0 0 2 )对称和 (1 0 1 2 )非对称联动扫描的每一个卫星峰的ω扫描 ,分别测量出了多量子阱的螺位错和刃位错平均密度 ,而界面粗糙度则由 (0 0 0 2 )对称衍射的卫星峰半高全宽随级数的变化得出 .试验发现多量子阱中的位错密度特别是刃位错密度和界面粗糙度随In源流量与Ⅲ族源流量比值的增加而增加 ,导致室温下光致发光性质的降低 ,从而也证明了刃位错在InGaN GaN多量子阱中充当非辐射复合中心 .

In组分渐变提高InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光性能

利用金属有机物化学气相沉积系统在蓝宝石衬底上通过有源层的变温生长,得到In组分渐变的量子阱结构,从而获得具有三角形能带结构的InGaN/GaN多量子阱发光二极管(LED)(简称三角形量子阱结构LED).变温光致发光谱结果表明,相对于传统具有方形能带结构的量子阱LED(简称方形量子阱结构LED),三角形量子阱结构有效提高了量子阱中电子和空穴波函数的空间交叠,从而增加了LED的内量子效率;电致发光谱结果表明,三角形量子阱结构LED器件与传统结构LED器件相比,明显改善了发光峰值波长随着电流的蓝移现象.通过以上的结果比较,三角形量子阱结构LED比传统结构LED具有更高的发光效率.

生长停顿改善MOCVD生长InGaN/GaN多量子阱的特性

利用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)生长了InGaN/GaN多量子阱(MQWs)结构,研究了生长停顿对InGaN/GaN MQWs特性的影响。结果表明,采用生长停顿,可以改善MQWs界面质量,提高MQWs的光致发光(PL)与电致发光(EL)强度;但生长停顿的时间过长,阱的厚度会变薄,界面质量变差,不仅In组分变低,富In的发光中心减少,而且会引入杂质,致使EL强度下降。

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。

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。

通过诱导载流子的V坑传输提升GaN基绿光LED的空穴注入效率

为了提升GaN基多量子阱LED的空穴注入效率,设计了具有不同最后势垒层结构的GaN基多量子阱外延结构,并将其制备为绿光mini-LED发光芯片,利用低温电致发光光谱、电流电压特性测试对其载流子传输机制进行了研究。结果表明,在采用AlGaN或GaN/AlN最后势垒层的样品中,有更多载流子可以传输到深层量子阱,空穴注入效率获得提升。本文对这一现象中的载流子运输机制以及V坑缺陷在其中所起的作用进行了研究,发现这种提升主要来自空穴V坑注入比例的增大。实验还发现,过大的V坑注入比例也会造成非辐射复合率上升,从而抑制了AlGaN最后势垒层样品的电光转换效率。

GaN/In_xGa_(1-x)N型最后一个量子势垒对发光二极管内量子效率的影响

GaN/In_xGa_(1-x)N型最后一个量子势垒结构能有效提高发光二极管(LED)器件内量子效率,缓解LED效率随输入电流增大而衰减的问题.本文综述了该结构及其结构变化——In组分梯度递增以及渐变、GaN/In_xGa_(1-x)N界面极化率改变等对改善LED器件性能的影响及优势,归纳总结了不同结构的GaN/In_xGa_(1-x)N型最后一个量子垒的工作机理,阐明极化反转是该结构提高LED性能的根本原因.在综述该结构发展的基础之上,通过APSYS仿真计算,进一步探索和深入分析了该结构中In_xGa_(1-x)N层的In组分及其厚度变化对LED内量子效率的影响.结果表明:In组分的增加有助于在GaN/In_xGa_(1-x)N界面产生更多的极化负电荷,增加GaN以及电子阻挡层处导带势垒高度,减少电子泄漏,从而提高LED的内量子效率;但GaN/In_xGa_(1-x)N型最后一个量子势垒中In_xGa_(1-x)N及GaN层厚度的变化由于会同时引起势垒高度和隧穿效应的改变,因而In_xGa_(1-x)N和GaN层的厚度存在一个最佳比值以实现最大化的减小漏电子,提高内量子效率.